一種新型離子束刻蝕裝置的研制

張冬艷，陳特超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

離子束刻蝕是一種典型的對樣品表面以原子、分子為單位進行剝離的微細加工工藝和超精密加工方法，在微電子工業中有廣泛的應用前景，在微機械的制造中已成為不可缺少的工藝手段[1]。

離子束刻蝕設備國外在20世紀70年代初期就已有設備的雛形，發展至今已是成熟的商業化產品，國內在20世紀80年代初開始自行研制并生產單束、單片加工的離子束刻蝕機[2]。為適應半導體工藝的發展，提高刻蝕設備的功能，滿足國內外用戶的需求，本文就中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的離子束刻蝕機中的二維運動工件臺、自動擋板機構和獨立的測束裝置及平行束離子源作介紹。

1 設備工作原理

離子束加工是在真空條件下，將氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性氣體通過離子源產生離子束，經加速、集束、聚焦后，轟擊被加工件的表面，即當離子束轟擊加工表面的能量超過加工表面材料的原子結合能時，加工表面材料的原子(或分子)被濺射出來，以達到去除表面材料的目的。

2 設備結構及特點

2.1 結構

圖1是離子束刻蝕設備結構示意圖。它由離子源、反應室、工件臺、真空系統、供氣系統、電氣控制等主要部分組成。

圖1 離子束刻蝕設備結構示意圖

離子源采用中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的平行束離子源系統，該系統性能穩定，降低了以往由于離子源電源的不穩定而引發的設備故障率。離子流密度較高，且整體可拆卸，便于維修。反應室為臥式結構，離子源水平噴射離子束流方式，刻蝕濺射物可大部分落于真空室底部，有效減少濺射材料的再沉積。反應室左側為可打開的鉸鏈門結構，同時其上可裝載基片，整個反應室腔體為雙層水冷結構，全不銹鋼材料制造。本設備在工件臺的設計上，將以往的一維旋轉運動優化為二維運動，即可進行旋轉和傾斜，依據離子束刻蝕原理，該種結構設計對刻蝕均勻性的提高起到一定作用，同時也為實驗型的工藝研究提供了便利。圖2為工件臺的二維運動示意圖。

圖2 工件臺二維運動示意圖

氣缸驅動的自動擋板機構。一般從放電開始到束流穩定往往需要幾分鐘的時間，在束流穩定后按下擋板開關進行刻蝕并同步計時，刻蝕時間可通過和擋板連接的時間繼電器設定、顯示并控制。擋板也可隨時對正在進行工作的離子源的束流進行有效阻擋。該機構具有自動控制、可顯示、可設定等多種功能，為工藝試驗前檢測束流密度和束的中和情況等工作提供了便利條件。

測束器是通過陶瓷引線引入反應室內部，對基片附近的束流進行測量，通過控制面板上的束流表顯示測量結果。此機構對于掌控基片附近的束流提供了可靠的第一手數據。

真空系統是本設備的關鍵之一，它是由分子泵、機械泵、電磁擋板閥、真空管道等組成。為保證工藝的連續性和工藝的多樣性，本設備采用恒定送氣和恒定抽氣的方式。送氣采用質量流量計控制，保證氣流的穩定和均勻。

2.2 刻蝕材料的無選擇性

加工材料廣泛，對脆性、半導體、高分子等材料都可加工。且加工在真空下進行，故也適用于加工易氧化的金屬、合金等材料[3]。由于樣品在真空中可以被準直的離子束定向轟擊，是一種方向性刻蝕，可以克服化學濕法中不可避免的鉆蝕現象，故刻蝕圖形邊緣陡直、清晰、分辨率高。

2.3 高加工精度及表面質量

離子束轟擊材料是逐層去除原子或分子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，其加工精度可達微米級。且由于離子束流密度、能量、入射角、工件臺的二維運動等工作參數能夠在相當寬的范圍內獨立、準確的控制，可容易得到不同樣品的最佳加工條件，既可控制線條的邊壁斜度，又能控制溝槽深度按一定函數變化。由于加工時被加工表面層溫度低，不會引起機械應力和損傷，故加工質量高。

2.4 刻蝕速率

刻蝕速率是體現設備加工效率的主要標志，它是以單位時間內刻蝕的深度表示的，與濺射率、到達表面的離子通量密度及材料的原子密度有關。刻蝕速率與濺射率成正比，濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度、靶材的種類、晶格結構、表面狀態、溫度以及殘余氣體組分有關。本裝置的離子束入射離子能量范圍較寬，在0～1 500 eV可調，為刻蝕速率的選擇提供了較寬的范圍，雖然入射離子能量的增大可增大刻蝕速度，但由于造成的表面損傷也較大，故在試驗過程中需綜合多方面因素選擇合適的數值。

3 工藝試驗

對設備的各項技術指標進行逐一測試后，做離子束刻蝕工藝試驗。刻蝕材料100mm鋁鎳合金，送入工藝氣體Ar氣到反應室內，通過調節Ar氣體質量流量控制器使反應室工作壓力穩定在4.0×10-2 Pa左右，啟動離子源電源，設定各模塊電壓或電流值，放電電壓55 V，離子束電壓500 V，離子束電流54mA，加速柵電壓120 V，待離子源穩定工作，打開自動擋板，刻蝕時間10m in，使用顯微鏡和臺階儀對刻蝕樣片進行測試，測量點位置如圖3，各點的刻蝕深度如表1所示。

圖3 樣片測試點示意圖

表1 測試點刻蝕深度表

用游標卡尺測量φ80 mm直徑，在此直徑上均勻取4點，用α臺階儀分別測量該4點及圓片中心點處的刻蝕深度。用下列公式計算刻蝕均勻性：

Ti：測量值

Tu：算術平均值

n：樣本數

采用上述均方根法計算，最后得出δ＝3.8%，所以本離子束刻蝕裝置均勻性≤±4。

4 結論

加工質量和加工效率一直是離子束刻蝕工藝的主要問題。刻蝕設備的研制水平是決定工藝質量的重要條件之一。上述試驗結果表明本裝置在性能指標上優于以往的國產同類設備，且使用范圍廣泛，通用性強，可應用于中小生產線或科研院所的實驗室。

[1]趙麗華，周名輝.離子束刻蝕[J].半導體技術，1999，24(1):39-42.

[2]任延同.離子束現狀與未來發展[J].光學精密儀器,1998,6(2):7-14.

[3]Seliger R L,Fleming W P.Focused ion beams inmicrofabrication[J].Applied Physics,1987,45(3):1416-1422.