微米納米技術(shù)中的聚焦離子束系統(tǒng)

微米納米技術(shù)中的聚焦離子束系統(tǒng)

離子是一種導(dǎo)電材料，可在磁體的作用下聚焦激勵(lì)，加速或減速，并以不同的能量偏差。這是因?yàn)樗哂胁牧细男浴⒕?xì)加工、半導(dǎo)件廠和失敗分析等特點(diǎn)。隨著微細(xì)加工向亞微米和納米方向的發(fā)展,科研人員希望離子束能聚焦到微米和納米量級(jí),而且可以通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無掩膜加工工藝,這就是早期的聚焦離子束技術(shù)(FocusedIonBeam,FIB)。聚焦離子束技術(shù)(FIB)在20世紀(jì)七八十年代得到了蓬勃發(fā)展,特別是到80年代末期,聚焦離子束技術(shù)基本成熟。90年代中期,聚焦離子束技術(shù)在各個(gè)方面得到應(yīng)用,如微米/納米尺度上的沉積、刻蝕、離子注入、掃描成像、無掩膜光刻和微機(jī)械系統(tǒng)加工(MEMS)以及微米/納米三維微結(jié)構(gòu)直接成型等。后來科研工作者又將聚焦離子束系統(tǒng)和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)使用(FIB-TOF-SIMS),與掃描電子顯微鏡聯(lián)機(jī)使用(FIB-SEM),使聚焦離子束技術(shù)在微米/納米加工和檢測(cè)分析中大顯身手,進(jìn)一步拓展了聚焦離子束技術(shù)的應(yīng)用范圍。與其它傳統(tǒng)的微技工技術(shù)相比,它具有更高的圖形分辨率、可以加工更細(xì)小的微結(jié)構(gòu)、能進(jìn)行無掩膜加工、對(duì)不同材料的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文主要介紹了聚焦離子束系統(tǒng)的基本原理、組成及其在微米/納米加工和分析中的基本應(yīng)用。1echambe系統(tǒng)聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)主要包括離子柱(Ioncolumn)、樣品室(Samplechamber)、真空系統(tǒng)(Vacuumsystem)、氣體注入系統(tǒng)(Gasinsertsystem)、掃描成像系統(tǒng)(Scanimagingsystem)、操作臺(tái)(Workstation)等。聚集離子束系統(tǒng)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.1金屬離子源分析離子柱是整個(gè)聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)的核心,其結(jié)構(gòu)類似于掃描電鏡,只是在聚焦離子束系統(tǒng)中用的是鎵離子(Ga+),而在掃描電鏡中帶電粒子是電子。離子柱中的液態(tài)金屬離子源(LMIS)是一個(gè)半頂角約為49°的金屬圓錐體。當(dāng)在金屬離子源上施加一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí),電子通過隧道穿透效應(yīng)穿過勢(shì)壘,繼而產(chǎn)生許多帶正電荷的離子,通過抽取電極和聚焦系統(tǒng)就形成了可用的離子束。離子束控制系統(tǒng)對(duì)離子束進(jìn)行限束(對(duì)離子束的束徑進(jìn)行調(diào)整)、消隱(使偏離入孔方向的離子被周圍的法拉第杯吸收掉,以防這些離子對(duì)樣品的刻蝕)、聚焦和偏轉(zhuǎn)(控制離子束的位置,使離子束穿過限束孔的中心)后進(jìn)入樣品室。1.2樣品室樣品室內(nèi)最主要的是樣品臺(tái),它有5種移動(dòng)形式:X、Y、Z方向的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜。這種設(shè)計(jì)特別有利于對(duì)樣品不同位置的處理和監(jiān)測(cè)。1.3氣體注射的量氣體注入系統(tǒng)主要是在進(jìn)行離子束輔助沉積和增強(qiáng)刻蝕時(shí)向樣品表面注射特定的氣體。一般在樣品室內(nèi)裝有多個(gè)注入噴嘴,而且可以單獨(dú)對(duì)其位置和注入氣體的種類進(jìn)行控制以滿足不同加工工藝的需要。1.4離子束加工的表面形貌離子束作用在樣品上,樣品受到離子束的激發(fā),從樣品發(fā)出的二次信號(hào)被收集、放大即可在顯示器上形成樣品表面形貌的二次電子像。由于離子束的束徑小(5~7nm),能量較高(幾十千電子伏),會(huì)對(duì)樣品表面造成一定程度的損傷。所以,近年來采用雙系統(tǒng),即把聚焦離子束系統(tǒng)和掃描電子顯微鏡組合起來,用電子束成像,不但提高了成像質(zhì)量,而且減少了對(duì)樣品的損傷。1.5操作臺(tái)操作臺(tái)主要用于樣品的加載、操縱樣品室內(nèi)的樣品臺(tái)、通過軟件控制泵抽系統(tǒng)的開啟和修改離子束的各種參數(shù)等。2電子和原子當(dāng)荷能粒子作用在固體材料的表面時(shí)會(huì)與材料中電子和原子發(fā)生作用,并將部分能量傳遞給樣品材料中的電子和原子,由此產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)現(xiàn)象,如材料中原子的離化、濺射、電子發(fā)射、光子發(fā)射和化學(xué)鍵的斷裂、分子的離解等。正是由于可產(chǎn)生這些物理和化學(xué)現(xiàn)象,才決定了聚焦離子束系統(tǒng)在微米/納米加工中可實(shí)現(xiàn)多種功能。2.1透射電鏡制約聚焦離子束系統(tǒng)中用作離子源的金屬元素(如鎵)的原子量一般較大,當(dāng)荷能離子束轟擊樣品時(shí),其能量會(huì)傳遞給樣品中的原子(分子)而發(fā)生濺射效應(yīng)。用合適的離子束束流,可以對(duì)不同的材料實(shí)施高速微區(qū)刻蝕,若再配以離子束掃描,則可以在樣品材料上刻蝕出不同的圖形。這一特點(diǎn)的典型應(yīng)用就是電路板失效檢測(cè)、三維納米結(jié)構(gòu)加工和透射電鏡制樣(TEMsamplepreparation)。特別是在透射電鏡制樣中,為了使電子能穿越樣品,在制備樣品時(shí)要求其厚度非常薄,通常小于100nm。傳統(tǒng)的方法是研磨或離子束減薄,這樣會(huì)使樣品制備的周期長(zhǎng),通常會(huì)因?yàn)檫^度剝離而導(dǎo)致制樣失敗,成功率低。采用聚焦離子束技術(shù)為透射電鏡制樣,定位精度高,可以通過電子束成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),省時(shí)省力,而且成功率高。最近有些聚焦離子束系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家已經(jīng)開發(fā)出了配套的透射電鏡樣品自動(dòng)制樣控制軟件,進(jìn)一步方便了使用。此外,聚焦離子束技術(shù)在微傳感器等的直接刻蝕成型方面也大有發(fā)展前景,如微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)零部件的制備和有機(jī)生物樣品的切割以及高精密掃描探針顯微鏡(SPM)的探針加工等。TimothyM.Miller等將脈沖激光氣相沉積技術(shù)(PLD)和聚焦離子束刻蝕技術(shù)結(jié)合起來,在20~100mm范圍內(nèi),在ITO(indium-tin-oxide)薄膜上成功地制備出薄膜應(yīng)力傳感器,聚焦離子束系統(tǒng)是主要的成型工具。2.2氣體增強(qiáng)刻蝕為了提高離子束刻蝕的速率和離子束刻蝕對(duì)不同材料的選擇性,通常在刻蝕過程中用氣體注入系統(tǒng)(GIS)加入一定量的刻蝕氣體以增強(qiáng)刻蝕。其基本原理就是用高能離子束將不活潑的輔助刻蝕氣體分子(如鹵化物氣體)變成活性原子、離子和自由基,這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì),脫離樣品后被真空系統(tǒng)抽走,從而實(shí)現(xiàn)快速刻蝕。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以大幅度提高刻蝕速率、刻蝕對(duì)材料的選擇性和圖形側(cè)壁的垂直性等。表1是氣體增強(qiáng)反應(yīng)離子束刻蝕對(duì)不同材料的增強(qiáng)刻蝕因子。J.Taniguch等用聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)的離子束輔助刻蝕技術(shù)成功制備了單晶金剛石場(chǎng)發(fā)射針尖,聚焦離子束輔助刻蝕技術(shù)對(duì)減小單晶金剛石場(chǎng)發(fā)射針尖的發(fā)射區(qū)域非常重要。N.A.Paraire采用聚焦離子束刻蝕多層膜的方法加工出了二維光子晶體,圖2示出了二維光子晶體在同一區(qū)域的SEM像。M.Yoshida用聚焦離子束技術(shù)在金屬薄膜上刻蝕出線寬幾十納米的溝槽。這種直接微加工技術(shù)在人工制備單電子器件、巨磁阻器件等領(lǐng)域非常重要。2.3納米微結(jié)構(gòu)的制備高能離子束誘導(dǎo)沉積金屬膜和介質(zhì)膜(如Pt、W、SiO2等)的基本原理就是將一些金屬有機(jī)物氣體通過氣體注入系統(tǒng)噴涂在樣品上需要沉積薄膜的區(qū)域,當(dāng)聚焦離子束的高能離子作用在該區(qū)域時(shí)就會(huì)使有機(jī)物發(fā)生分解,分解后的固體物質(zhì)被沉積下來。當(dāng)離子束按一定的圖形掃描時(shí),即可形成特定的三維微結(jié)構(gòu)圖形,這一特點(diǎn)已在微機(jī)械系統(tǒng)的加工中得到應(yīng)用。將聚焦離子束沉積和刻蝕技術(shù)結(jié)合起來,在微米/納米三維結(jié)構(gòu)的加工和修復(fù)中具有重要應(yīng)用。比如大規(guī)模集成電路的曝光掩膜版制作工藝復(fù)雜,周期長(zhǎng),成本高,對(duì)修復(fù)其中的缺陷是必要的?？衫镁劢闺x子束技術(shù)的沉積和刻蝕技術(shù)在曝光掩膜版上淀積必要的部分和去除多余的部分。YongQiFu等結(jié)合利用聚焦離子束技術(shù)的刻蝕和濺射功能,加工成型了9×9微透鏡陣列,單個(gè)透鏡的直徑為60μm;J.Fujita利用聚焦離子束輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)(FIB-CVD)精確制備出了微米量級(jí)的三維立體結(jié)構(gòu),如酒杯、線圈等,如圖3所示。這些成果充分體現(xiàn)了聚焦離子束技術(shù)在微加工領(lǐng)域中的高精度和高分辨率的特點(diǎn)。2.4提高分辨率成像聚焦離子束的束斑分辨率可達(dá)5~7nm,當(dāng)離子束在樣品表面掃描時(shí)可產(chǎn)生二次電子和二次離子,收集這些信號(hào)就可完成高分辨率成像。特別是對(duì)于絕緣體,由于二次電子產(chǎn)額很低,如果用聚焦離子束進(jìn)行二次離子成像,即可避免用掃描電鏡成像時(shí)在樣品上噴涂導(dǎo)電層的工序。2.5金屬離子檢測(cè)離子注入是利用聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)中離子能量較高的特點(diǎn)(數(shù)萬電子伏以上),將離子注入基底并與基底材料合成所需的化合物。比如,利用合金液態(tài)金屬離子源(如AuSiBe-LMIS、CoNe-LMIS)聚焦離子束系統(tǒng)(配有質(zhì)量分析器)可以選擇不同的離子注入(如Au、Si、B、As、Ga、In等離子)同一樣品,從而在一定范圍內(nèi)形成特定的摻雜或具有特定物化性質(zhì)的薄膜。與傳統(tǒng)工藝相比,其分辨率高,無需掩膜,從而簡(jiǎn)化了工藝,使無掩膜納米級(jí)工藝生產(chǎn)變?yōu)榭赡?而且這種微區(qū)摻雜是其它技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)的。2.6離子束曝光方式聚焦離子束曝光與其它曝光方式相比,具有高靈敏度、高分辨率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn),且無需掩膜。這是由于離子質(zhì)量大,在抗蝕劑中射程小、能量淀積高、散射角小、鄰近效應(yīng)小、曝光時(shí)間短。但是由于離子束的偏轉(zhuǎn)、消隱以及散射離子的噪聲效應(yīng),很難在大面積曝光上應(yīng)用,所以目前主要用于其它曝光方式無法或難以實(shí)現(xiàn)的部分曝光以及實(shí)驗(yàn)室中微區(qū)納米結(jié)構(gòu)加工過程中的曝光,如微區(qū)納米場(chǎng)致發(fā)射陣列的制備等。另外,離子束的劑量、能量、束斑直徑(幾微米~10nm)可以調(diào)節(jié),能滿足在同一材料上加工不同線寬、不同尺度圖形的要求,與其它工藝相比,工序大為簡(jiǎn)化。例如,在加工金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管中,用聚焦離子束曝光(劑量1.0×1013cm-2),得到了100nm的硅柵極。2.7掃描電鏡fe-sem組合由于聚焦離子束系統(tǒng)的離子束分辨率極高(5~7nm左右),可以進(jìn)行樣品特定范圍內(nèi)的微區(qū)分析。結(jié)合飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS),將高質(zhì)量分辨率和高空間分辨率的特點(diǎn)相結(jié)合,可以在極小的范圍內(nèi)獲得樣品表面和深層成分分布的信息,這是材料分析中有力的手段之一。聚焦離子束(FIB)與場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)組合在一起的雙束系統(tǒng)同時(shí)具備了兩種設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。單獨(dú)的聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)在完成大束流微加工和小束流觀察形貌的過程中要不停地變換束流強(qiáng)度,既影響了束流強(qiáng)度的穩(wěn)定性,又延長(zhǎng)了加工時(shí)間。在雙束系統(tǒng)中采用電子束成像,不但提高了成像質(zhì)量,減小了對(duì)樣品的損傷,而且縮短了加工時(shí)間,避免了對(duì)離子束穩(wěn)定性的影響。比如,BunbunoshinTomiyasu將聚焦離子束系統(tǒng)與二次離子質(zhì)譜儀結(jié)合起來(FIB-SIMS)進(jìn)行三維圖形形貌分析,其橫向分辨率達(dá)50nm,縱向分辨率達(dá)5nm。EhrenfriedZschech用聚焦離子束與掃描電鏡組合(FIB-SEM)為透射電鏡(TEM)制樣,成功地分析了集成電路中銅連線的失效問題,如圖4所示。3微加工與聚焦離子束加工的比較聚焦離子束系統(tǒng)是微加工領(lǐng)域中的有力工具之一,對(duì)材料幾乎無選擇性,分辨率很高(可以達(dá)到數(shù)個(gè)納米量級(jí)),且可實(shí)現(xiàn)無掩膜加工。對(duì)上述聚焦離子束系統(tǒng)在微米/納米加工和分析中的主要功能和用途列于表2。與其它常用的微加工和成型技術(shù)相比較,聚焦離子束技術(shù)有定位精確、分辨率高的特點(diǎn),但加工的速率相對(duì)來講要慢得多。表3是聚焦離子束技術(shù)與其它一些常用微加工技術(shù)的一些典型性能參數(shù)對(duì)比。液態(tài)金屬離子源聚焦離子束系統(tǒng)