聚焦離子束技術(shù)的研究進(jìn)展

聚焦離子束技術(shù)的研究進(jìn)展

菲比（coinbeam）技術(shù)是利用靜電透鏡將離子束聚焦至尺寸小的微加工技術(shù)。聚焦離子束（FIB）在電場(chǎng)作用下可被加速或減速，以任何能量與靶材發(fā)生作用，并且在固體中有很好的直進(jìn)性。離子具有元素性質(zhì)，因此FIB與物質(zhì)相互作用時(shí)能產(chǎn)生許多可被利用的效應(yīng)，所以FIB被廣泛應(yīng)用在離子束曝光、注入、刻蝕、沉積、鍍膜、拋光、鉆孔和研磨等領(lǐng)域。本文就目前深入研究并將被廣泛應(yīng)用的聚焦離子束技術(shù)作一詳盡的介紹。1離子分離系統(tǒng)和樣品臺(tái)聚焦離子束系統(tǒng)大體上可以分為三個(gè)主要部分：離子源、離子束聚焦/掃描系統(tǒng)(包括離子分離部分)和樣品臺(tái)。離子源位于整個(gè)系統(tǒng)的頂端，離子經(jīng)過(guò)高壓抽取、加速并通過(guò)位于離子柱腔體內(nèi)的靜電透鏡、四極偏轉(zhuǎn)透鏡以及八極偏轉(zhuǎn)透鏡，形成很小的離子束斑可達(dá)到5納米，轟擊位于樣品臺(tái)上的樣品。1.1在資源整合中的應(yīng)用FIB系統(tǒng)大多采用液態(tài)金屬離子D9(LMIS)，還有一部分系統(tǒng)采用氣體場(chǎng)離子(GFIS)?？梢杂米饕簯B(tài)離子源(LMIS)的金屬需滿足以下條件：該液態(tài)金屬可以潤(rùn)濕離子源針尖，并且對(duì)該針尖無(wú)腐蝕作用；熔融狀態(tài)下有較低的蒸汽壓。比較常用的LMIS可分為兩種：?jiǎn)卧仉x子源和合金離子源。前者主要有：嫁離子、金離子、艷離子等。其中，將稼離子作為離子源的系統(tǒng)比較普遍。1.2聚焦系統(tǒng)的復(fù)雜聚焦離子束系統(tǒng)的離子束聚焦/掃描部分一般由雙電磁透鏡系統(tǒng)和一系列偏轉(zhuǎn)電極構(gòu)成。由于FIB系統(tǒng)所采用的離子較重(如驚離子的原子量為64.7乃），使其更難被聚焦，所以與電子聚焦系統(tǒng)相比，離子束聚焦系統(tǒng)要復(fù)雜得多。FIB系統(tǒng)的分辨率主要由離子束到達(dá)樣品表面的束斑大小決定。離子束斑直徑受到以下因素的影響：金屬離子源在針尖上的大小、由于各個(gè)離子能量細(xì)微差別而引起的色差、由于透鏡系統(tǒng)不共軸而引起的球差等。同時(shí)，離子束流大小也會(huì)對(duì)該束斑直徑產(chǎn)生重要影響，束流越大，最小束斑就越大。為了使離子束在樣品表面實(shí)現(xiàn)掃描功能，在FIB系統(tǒng)中配備了掃描線圈，使離子束在樣品表面實(shí)現(xiàn)行、幀掃描。1.3x.y.z.b研磨焦面系統(tǒng)經(jīng)過(guò)聚焦的高能離子束需與樣品作用才會(huì)實(shí)現(xiàn)各種功能，樣品則放在樣品臺(tái)上。樣品臺(tái)可以在X.Y.Z.B,p五個(gè)自由度精確調(diào)節(jié)，并配有恒定焦面控制系統(tǒng)以保證樣品在經(jīng)過(guò)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)后仍處于聚焦系統(tǒng)的焦平面上?，F(xiàn)以FEIFIB200XP為例，介紹聚焦離子束系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)2離子絕波與固體樣品的作用機(jī)制2.1入射離子擾動(dòng)表面及近表層的原子、分子和原子團(tuán)以中性、受激態(tài)或離子的形式發(fā)射出來(lái)，這一區(qū)域一般涉及到兩三個(gè)原子層的深度，叫做發(fā)射區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，濺射粒子質(zhì)量越大其逸出深度越淺，濺射粒子能量越大，逸出深度越深。入射離子注入及表面原子反彈注入，它們穿入表面下層的深度叫注入?yún)^(qū)，注入?yún)^(qū)深度與入射能量、入射角度及入射離子種類和表面狀況都是有關(guān)的。在入射離子的撞擊下，固體表層晶格受到擾動(dòng)，產(chǎn)生一些缺陷及原子錯(cuò)位，叫做輻射損傷。這種現(xiàn)象波及的區(qū)域比注入?yún)^(qū)更深些，叫做晶格波及區(qū)。如果在固體表面噴附有輔助氣體分子，則可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)刻蝕和薄膜淀積。2.2聚焦離子誘導(dǎo)的表面檢測(cè)技術(shù)從表面逸出的各種粒子來(lái)自不同的物理過(guò)程，帶有豐富的表面信息。比較重要的有以下幾種：(1）散射離子：是在表面或表層彈性散射或非彈性散射的入射離子，它的能量分布和角分布反映了表面原子的信息。(2）二次離子：從表面濺射出的離子中，有一部分是以正負(fù)離子的形式出現(xiàn)的，它們來(lái)自固體表面，對(duì)它們的能量和質(zhì)量進(jìn)行分析，可以直接得到表面組分的信息。(3）電子：發(fā)射的電子可能來(lái)自表面，也可能來(lái)自比較深層。如果入射離子在表面發(fā)生中和，則可產(chǎn)生電子發(fā)射，但在表面下層是固體原子受激或電離時(shí)，也會(huì)有電子放出，這些電子都帶有表面的信息。(4)X射線及光發(fā)射：可能來(lái)自表面及表層，各種退激發(fā)及離子中性化過(guò)程都可以導(dǎo)致光發(fā)射。離子誘導(dǎo)產(chǎn)生的光發(fā)射常常帶有表面化學(xué)成分及化學(xué)態(tài)的信息利用高能離子束與固體樣品相互作用的機(jī)理和產(chǎn)生的效應(yīng)。FIB技術(shù)的基本功能可以歸納為：刻蝕或增強(qiáng)刻蝕；淀積導(dǎo)電膜或絕緣膜；SIM成象；離子注入等。3菲比的功能和應(yīng)用3.1物理累刻的影響利用高能離子束對(duì)樣品的濺射效應(yīng)，F(xiàn)IB可以非常精確地(分辨率小于0.1微米)對(duì)樣品特定微區(qū)進(jìn)行刻蝕，刻蝕形狀由離子束的掃描范圍決定，刻蝕深度由FIB的加速電壓、束流大小和刻蝕時(shí)間等參數(shù)決定，且刻蝕的整個(gè)過(guò)程無(wú)需掩模和光刻。但是，此種純物理濺射也有缺點(diǎn)：在刻蝕過(guò)程中，由于被濺射物質(zhì)往往是不揮發(fā)的，容易產(chǎn)生再淀積現(xiàn)象，從而降低刻蝕效率并阻止進(jìn)一步刻蝕；當(dāng)被刻蝕的物質(zhì)是導(dǎo)體時(shí)會(huì)引起漏電或短路現(xiàn)象。在FIB系統(tǒng)中引入氣體注入系統(tǒng)(GIS)可以克服上述缺點(diǎn)，在刻蝕過(guò)程中，它將反應(yīng)氣體(如Cl3.2高能離子束淀積過(guò)程原理除了利用反應(yīng)氣體進(jìn)行增強(qiáng)刻蝕外，它的另外一個(gè)應(yīng)用就是用來(lái)在特定區(qū)域淀積金屬或介質(zhì)薄膜，其機(jī)理與反應(yīng)刻蝕相似，都是在高能離子束的作用下所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，只是所采用的反應(yīng)氣體不同。淀積過(guò)程就是高能離子束使吸附在樣品表面的單層反應(yīng)氣體分子分解成易揮發(fā)部分和不易揮發(fā)部分，前者被真空泵抽走，后者則在FIB轟擊區(qū)域形成薄膜淀積。常用于薄膜淀積的輔助氣體有：用C9H6Pt氣體淀積Pt膜，用TEOS氣體淀積SiO3.3掃描離子顯微成象利用高能離子束掃描并轟擊樣品表面，會(huì)使樣品表面散射出二次離子和二次電子。如配置相應(yīng)的探測(cè)器將不同微區(qū)、不同材料所發(fā)出的帶電粒子收集并計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)放大處理，可以形成樣品的高清晰度、高分辨率的圖象。SIM在聚焦離子束技術(shù)中具有重要的作用，F(xiàn)IB的其它所有功能和應(yīng)用都需要在掃描離子顯微鏡所呈的圖象下進(jìn)行。當(dāng)然，由于離子束較難聚焦，與掃描電子顯微鏡(SEM)相比，SIM的空間分辨率要差一些，但是，隨著FIB技術(shù)的成熟，離子束寬已經(jīng)縮小了很多(從最初的3微米減小到近期的5納米-10納米)，這個(gè)不足己經(jīng)得到很好的彌補(bǔ)。3.4無(wú)蔽模離子注入正如上面提到的，F(xiàn)IB技術(shù)利用不同離子源，特別是利用合金離子源，可以向半導(dǎo)體器件特定微區(qū)進(jìn)行無(wú)掩模離子注入。該技術(shù)利用FIB高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，在器件的特定微區(qū)以不同離子種類和劑量進(jìn)行注入，可以改進(jìn)器件性能。3.5x-ct成像模式它不僅可以修補(bǔ)普通的光學(xué)工元掩模，而且還可以修補(bǔ)x射線掩模及先進(jìn)的光學(xué)移相掩模。FIB修補(bǔ)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其工藝具有很高的空間分辨率(可以低于25nm)，并且可以修補(bǔ)包括相位缺陷在內(nèi)的各類缺陷。3.6微區(qū)結(jié)構(gòu)的發(fā)展利用FIB技術(shù)的刻蝕及淀積功能可以對(duì)失效或需要改進(jìn)的集成電路進(jìn)行修改，達(dá)到顯著縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期的目的。例如，可以斷開(kāi)電路之間一些不應(yīng)有的連接，或者可以形成電路之間的納米連接，連接的線寬僅為幾十納米，而線長(zhǎng)可達(dá)幾十微米。