聚焦離子束微納加工技術(shù)

TheTechnologyOfFocusedIonBeam(FIB)——聚焦離子束微納加工技術(shù)邢卓學(xué)號(hào)：2013202020072指導(dǎo)老師：任峰集成電路制造中的三束技術(shù)電子束技術(shù)光子束技術(shù)離子束技術(shù)具有極高的分辨率，可制作最細(xì)線寬5~8nm的圖形，不能用于器件的批量生產(chǎn)，主要應(yīng)用在掩膜的制造和器件的直接光刻方面。主要包括紫外光刻(0.5~0.8μm器件)、準(zhǔn)分子激光光刻（0.18~0.13μm器件)、極紫外光刻(35~65nm器件)、激光圖形發(fā)射器(0.2μm線寬)和X射線光刻(90nm器件)等。主要應(yīng)用在：離子束刻蝕、離子束沉積、離子束誘導(dǎo)沉積、離子束注入、離子束曝光和離子束材料改性等方面。聚焦離子束vs.常規(guī)離子束常規(guī)離子束加工用離子源1.熱陰極大電流離子源2.冷陰極放電離子源3.高頻放電離子源4.雙等離子體離子源5.微波陰極離子源6.電子束激勵(lì)離子源常規(guī)離子束技術(shù)聚焦離子束技術(shù)由定向或不定向的離子流對(duì)工件表面的面狀轟擊來(lái)達(dá)到加工目的的，轟擊面直徑可以從幾毫米到幾十厘米，在需要形成圖形結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，常規(guī)離子束技術(shù)必須采用掩膜。由聚焦?fàn)顟B(tài)的離子探針對(duì)加工表面的點(diǎn)狀轟擊來(lái)達(dá)到加工目的的，轟擊面的直徑在納米量級(jí)或微米量級(jí)。在需要形成圖形結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，必須由計(jì)算機(jī)控制束掃描器和束閘來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦離子束加工用離子源1.雙等離子體離子源2.氣體場(chǎng)發(fā)射離子源3.液態(tài)金屬離子源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)注入系統(tǒng)電子檢測(cè)移動(dòng)控制真空系統(tǒng)離子源引出極聚焦透鏡質(zhì)量分析器束閘束對(duì)中物鏡X-Y偏轉(zhuǎn)器氣體注入口X-Y工件臺(tái)真空泵聚焦離子束系統(tǒng)

雙束單光柱FIB-SEM雙束雙光柱FIB-SEM聚焦離子束系統(tǒng)離子源離子光學(xué)柱束描畫(huà)系統(tǒng)X-Y工件臺(tái)信號(hào)采集處理單元衡量標(biāo)準(zhǔn)：1.亮度2.虛擬源尺寸3.能散4.工作穩(wěn)定性雙等離子體離子源亮度約為10A/(cm2·sr)，源典型尺寸為50μm，廣泛應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域。液態(tài)金屬離子源亮度高達(dá)106A/(cm2·sr)，源典型尺寸為50~100nm，發(fā)射穩(wěn)定，滿(mǎn)足亞微米量級(jí)要求氣態(tài)場(chǎng)發(fā)射離子源亮度高達(dá)109A/(cm2·sr)，源典型尺寸為1nm，要求超高真空和低溫環(huán)境。離子源雙等離子體離子源液態(tài)金屬離子源氣態(tài)場(chǎng)發(fā)射離子源聚焦離子束系統(tǒng)離子源X-Y工件臺(tái)束描畫(huà)系統(tǒng)離子光學(xué)柱信號(hào)采集處理單元離子源發(fā)射離子束進(jìn)入到離子光學(xué)柱，經(jīng)過(guò)整形、質(zhì)量分析，最后聚焦到工件表面。離子光學(xué)柱中的主要部件有：靜電透鏡、消像散器、束對(duì)中單元、質(zhì)量分析器、靜電偏轉(zhuǎn)閘和束偏轉(zhuǎn)器。離子光學(xué)柱中還設(shè)置一系列限束光闌，用來(lái)阻擋離軸較遠(yuǎn)的離子。對(duì)于合金液態(tài)金屬離子源系統(tǒng)，必須安裝離子質(zhì)量分析器，用來(lái)選擇所需要的的離子，而將不需要的元素離子阻擋掉。常用的是E×B離子質(zhì)量分析器。離子光學(xué)柱N

E×B離子質(zhì)量分析器工作原理聚焦離子束系統(tǒng)離子源離子光學(xué)柱束描畫(huà)系統(tǒng)X-Y工件臺(tái)信號(hào)采集處理單元束描畫(huà)系統(tǒng)由圖形發(fā)生器、束偏轉(zhuǎn)器和束閘組成。圖形發(fā)生器的功能是編制要制作的圖形或接受用戶(hù)的圖形數(shù)據(jù)，形成FIB系統(tǒng)能識(shí)別的圖形數(shù)據(jù)；根據(jù)圖形加工要求對(duì)圖形數(shù)據(jù)晶型處理和編制圖形加工過(guò)程；控制束偏轉(zhuǎn)器、束閘和X-Y工件臺(tái)進(jìn)行圖形加工。束偏轉(zhuǎn)器有靜電偏轉(zhuǎn)器和磁偏轉(zhuǎn)器。其主要作用是使離子束發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)。束閘通常是通過(guò)偏轉(zhuǎn)離子束使其偏離安裝在交叉斑附近的束閘光闌，達(dá)到截止離子束的目的。束描畫(huà)系統(tǒng)聚焦離子束系統(tǒng)離子源離子光學(xué)柱束描畫(huà)系統(tǒng)X-Y工件臺(tái)信號(hào)采集處理單元X-Y工件臺(tái)作用：承載需要加工的鏡片；移動(dòng)鏡片實(shí)現(xiàn)掃描場(chǎng)的圖形拼接；移動(dòng)晶片實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶片上的圖形描畫(huà)；進(jìn)行標(biāo)記檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)多層圖形對(duì)準(zhǔn)套刻；利用激光波長(zhǎng)對(duì)圖形尺寸進(jìn)行校正。五自由度手動(dòng)工件臺(tái)靈活方便，價(jià)格低廉，實(shí)驗(yàn)室用。X-Y電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)靈活方便，價(jià)格低廉，便于自動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)室用。激光定位精密工件臺(tái)精度高，能進(jìn)行圖形拼接和多層圖形套刻，能夠進(jìn)行大面積圖形加工。X-Y工件臺(tái)聚焦離子束系統(tǒng)離子源離子光學(xué)柱束描畫(huà)系統(tǒng)X-Y工件臺(tái)信號(hào)采集處理單元對(duì)大部分雙束FIB而言，掃描電子束和聚焦離子束都能形成二次電子像。但前者成像較清晰，后者成像對(duì)比度更優(yōu)。聚焦離子束加工中是利用電子束曝光中常用的“十”字檢測(cè)標(biāo)記凹槽，臺(tái)階處的二次電子遠(yuǎn)比平面上逸出多的原理來(lái)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)操作。聚焦離子束在掃描標(biāo)記成像時(shí)會(huì)腐蝕標(biāo)記，在電子束曝光系統(tǒng)上是不存在的。標(biāo)記的腐蝕會(huì)影響后續(xù)圖形加工的套刻對(duì)準(zhǔn)精度。信號(hào)采集處理單元+M1+M2+M3+M4100~200μm5~10μm槽深2μm套刻對(duì)準(zhǔn)用的“十”字標(biāo)記FIB掃描標(biāo)記的脈沖波形FIB掃描標(biāo)記的二次電子標(biāo)記圖像++++++入射離子背散射二次電子發(fā)射二次離子發(fā)射X射線發(fā)射光子發(fā)射中性原子濺射加熱反彈注入離子注入材料結(jié)晶變化聚焦離子束與固體材料表面的相互作用聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子在與材料中的電子和原子的不斷碰撞中，逐漸喪失能量并被固體中的電子中和，最后鑲嵌在固體材料中。鑲嵌到固體材料中的原子改變了固體材料的材料的性質(zhì)，這種現(xiàn)象叫注入。入射離子注入材料加熱反沖注入聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子把能量和動(dòng)量傳遞給固體表面或表層原子，使后者進(jìn)入表層或表層深處。例如，通過(guò)惰性氣體離子對(duì)表面或表層的轟擊，使表面待摻雜原子進(jìn)入深層材料內(nèi)，實(shí)現(xiàn)原子混合注入。反沖注入材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子通過(guò)與固體材料中的原子發(fā)生彈性碰撞，被反射出來(lái)，稱(chēng)為背散射離子。某些離子在發(fā)生彈性碰撞散射前后，也可能經(jīng)歷一定的能量損失。入射離子背散射材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化在入射離子轟擊下，固體表面的原子、分子、分子碎片、分子團(tuán)以正離子或負(fù)離子的形式發(fā)射出來(lái)，這些二次離子可直接引入質(zhì)譜儀，對(duì)被轟擊表面的成分進(jìn)行分析。二次離子發(fā)射材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子轟擊固體材料表面，與表面層的原子發(fā)生非彈性碰撞，入射離子的一部分能量轉(zhuǎn)移到被撞原子上，產(chǎn)生二次電子。二次電子發(fā)射材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子轟擊固體材料表面，與表面層的原子發(fā)生非彈性碰撞，入射離子的一部分能量轉(zhuǎn)移到被撞原子上，材料中的原子被激發(fā)，產(chǎn)生X射線，同時(shí)電離產(chǎn)生可見(jiàn)光、紫外光、紅外光等。二次光子發(fā)射材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化入射離子在與固體材料中的原子發(fā)生碰撞時(shí)，將能量傳遞給固體材料中的原子，如果傳遞的能量足以使原子從固體材料表面分離出去，該原子就被彈射出材料表面，形成中性原子濺射，濺射過(guò)程可以認(rèn)為是大規(guī)模離子“瀑布”碰撞產(chǎn)生的。被濺射出來(lái)的不僅是單個(gè)原子，還有分子、分子碎片或分子團(tuán)材料濺射材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化輻射損傷是指入射離子轟擊表層材料造成的材料晶格損傷或晶態(tài)轉(zhuǎn)化。輻射損傷材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反沖注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化由于入射離子與固體材料中的原子核和電子的作用，造成材料組分變化或化學(xué)鍵變化。例如，感光膠在離子轟擊后發(fā)生斷鍵或交聯(lián)，使感光膠易于或難于溶解在顯影液中，離子束曝光就是利用了這種化學(xué)變化。化學(xué)變化材料加熱聚焦離子束與固體材料表面的相互作用入射離子注入反彈注入入射離子背散射二次離子發(fā)射二次電子發(fā)射光子發(fā)射材料濺射輻射損傷化學(xué)變化具有高能量的離子轟擊固體表面是材料加熱，熱量自離子入射點(diǎn)向周?chē)鷶U(kuò)散材料加熱材料加熱聚焦離子束在計(jì)算機(jī)的控制下，是注入雜質(zhì)以一定的空間分布注入晶片材料表面；然后退火，是注入原子與半導(dǎo)體晶格原子具有不同的價(jià)電位，電荷載流子就產(chǎn)生了。FIB注入無(wú)需掩模，通過(guò)調(diào)整束駐留時(shí)間和束能量，就可以改變注入雜質(zhì)濃度、注入深度和注入范圍，從而得到橫向摻雜梯度變化的器件，即能在同一晶片上得到不同性能的器件。FIB離子注入的缺點(diǎn)：1.生產(chǎn)率低，難于進(jìn)入集成電路生產(chǎn)。2.注入離子源通常為合金源，工作穩(wěn)定性較差。3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝和操作較常規(guī)離子注入要難。+聚焦離子束的應(yīng)用掃描離子顯微鏡和二次離子質(zhì)譜儀離子束曝光FIB誘導(dǎo)沉積應(yīng)用FIB濺射刻蝕加工FIB無(wú)掩模離子注入FIB無(wú)掩模離子注入表征濺射過(guò)程的重要參數(shù)：濺射產(chǎn)額、濺射粒子角度分布、濺射粒子能譜分布等。影響產(chǎn)額的主要因素——線型碰撞級(jí)聯(lián)模型：入射離子的能量是通過(guò)級(jí)聯(lián)碰撞傳遞給靶材原子的，即入射離子與靶材原子發(fā)生初級(jí)碰撞，撞出反沖原子，反沖原子灰繼續(xù)與靶材中的靜態(tài)原子再碰撞，再產(chǎn)生反沖原子。產(chǎn)額主要影響因素：1.入射離子能量2.離子束入射角3.入射離子和靶材料的元素特性4.離子束加工參數(shù)5.所加工圖形尺寸和分布+聚焦離子束的應(yīng)用掃描離子顯微鏡和二次離子質(zhì)譜儀離子束曝光FIB誘導(dǎo)沉積應(yīng)用FIB濺射刻蝕加工FIB無(wú)掩模離子注入FIB濺射刻蝕加工在FIB入射區(qū)通入的氣體叫誘導(dǎo)氣體，根據(jù)要求沉積的材料的不同應(yīng)選擇不同的誘導(dǎo)氣體。通入的誘導(dǎo)氣體通常以單分子層的形式吸附在固體材料表面，入射離子束的轟擊致使吸附氣體分子分解，將金屬材料留在固體表面。入射離子束此時(shí)也會(huì)濺射新沉積的金屬材料，但如果沉積速度高于濺射速度，凈沉積就會(huì)產(chǎn)生。FIB誘導(dǎo)沉積產(chǎn)額：1.熱針模型：認(rèn)為離子束入射點(diǎn)在瞬間存在幾千度高溫，熱量從入射點(diǎn)以半球形或圓柱狀向空間擴(kuò)散，高溫使吸附的分子分解。2.二元碰撞模型：利用電腦程序模擬級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程，測(cè)算濺射原子總量和表面層被激發(fā)原子按能量不同的分布然后分析誘導(dǎo)分子分解概率。聚焦離子束的應(yīng)用掃描離子顯微鏡和二次離子質(zhì)譜儀離子束曝光FIB誘導(dǎo)沉積應(yīng)用FIB濺射刻蝕加工FIB無(wú)掩模離子注入FIB誘導(dǎo)沉積應(yīng)用+Gas離子束具有能使某些高分子有機(jī)物發(fā)生交聯(lián)或降解反應(yīng)的功能，可用于抗蝕劑曝光。離子束曝光有三種方法：掃描離子束曝光、掩模離子束曝光和投影離子束曝光。離子束曝光的優(yōu)點(diǎn)：1.高圖形分辨率2.曝光速度快3.無(wú)臨近效應(yīng)4.良好的曝光寬容度5.可實(shí)現(xiàn)無(wú)抗蝕劑直接曝光離子束曝光的缺點(diǎn)：1.對(duì)襯底材料有損傷2.曝光速度有限制聚焦離子束的應(yīng)用掃描離子顯微鏡和二次離子質(zhì)譜儀離子束曝光FIB誘導(dǎo)沉積應(yīng)用FIB濺射刻蝕加工FIB無(wú)掩模離子注入離子束曝光+抗腐蝕劑層SIM工作原理：離子光學(xué)柱將離子束聚焦到樣品表面，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)使離子束在樣品表面做光柵式掃描。電子信號(hào)檢測(cè)器接收離子束掃描過(guò)程中與樣品表面作用產(chǎn)生的二次電子或二次離子信號(hào)，調(diào)制屏幕亮度，反應(yīng)出樣品形貌。（對(duì)樣品有損傷）FIB/SIMS原理：入射離子束轟擊樣品表面會(huì)產(chǎn)生二次離子，讓入射離子束逐點(diǎn)逐層