聚焦離子束（FIB）直寫技術(shù)研究

東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 211189

一、引言

現(xiàn)代半導(dǎo)體制造業(yè)迅速發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，對相關(guān)的微分析技術(shù)的要求也越來越高。除了IC制造以外，納米結(jié)構(gòu)在新元件上應(yīng)用越來越多，特別是納米光子和納米光學(xué)。

聚焦離子束( Focused Ion Beam，F(xiàn)IB) 系統(tǒng)是在常規(guī)離子束和聚焦電子束系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，除具有掃描電子顯微鏡具有的成像功能外，由于離子質(zhì)量較大, 經(jīng)加速聚焦后還可對材料和器件進(jìn)行刻蝕、沉積、離子注入等微納加工[1]，因而在納米科技領(lǐng)域起到越來越重要的作用。

FIB的加工是通過離子束轟擊樣品表面來實現(xiàn)的。在FIB加工系統(tǒng)中，來自液態(tài)金屬離子源的離子束經(jīng)過加速、質(zhì)量分析、整形等處理后, 聚焦在樣品表面。離子束斑直徑目前已可達(dá)到幾個納米[2]，其加工方式為將高能離子束聚焦在樣品表面逐點轟擊，可通過計算機控制束掃描器和消隱組件來加工特定的圖案。

本文以實驗為基礎(chǔ)，從具體的實驗結(jié)果分析各加工參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響，主要討論微納圖形加工過程中，F(xiàn)IB系統(tǒng)工作參數(shù)對刻蝕結(jié)構(gòu)的影響。FIB刻蝕過程中，離子束強度對于束斑的聚集性有所影響；改變離子束的入射電流直接改變了離子束刻蝕速率；隨著離子束駐留時間的增加，再沉積效應(yīng)的影響越來越明顯。在實際刻蝕應(yīng)用中，熟練掌握各參數(shù)對濺射刻蝕的影響，可以大大提高加工效率，同時也能減小因加工參數(shù)選擇不當(dāng)造成加工錯誤的可能性。

二、離子束強度的影響

離子源聚焦到樣品表面時，其能量呈高斯分布[3]，設(shè)計簡單實驗初探能量對結(jié)構(gòu)的影響對下一步實驗具有指導(dǎo)意義。

實驗方法：本文研究的各微納圖形均在Si（100）晶片上進(jìn)行，預(yù)先將其切割為需求大?。?mm*10mm)。每次實驗前會通過光學(xué)顯微鏡在晶片上查找一塊干凈區(qū)域，并在此區(qū)域周邊滴上銀膠標(biāo)記，既能方便定位查看結(jié)果，又能利用銀膠邊緣結(jié)構(gòu)快速聚焦。在刻蝕中，納米圖形結(jié)構(gòu)輪廓、形貌特征與不同的工藝參數(shù)密切相關(guān)。

實驗內(nèi)容：在其他參數(shù)一致的情況下，改變離子束強度，研究離子束強度的高斯分布對實驗結(jié)果的影響。設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸為2μm*2μm，駐留時間為50μs，深度設(shè)置為100nm，離子束能量取5keV、30keV，研究離子束能量的改變對刻蝕結(jié)構(gòu)的影響。

圖1為兩種能量下刻蝕方形結(jié)構(gòu)的52°傾斜視圖。根據(jù)標(biāo)尺測量知，5keV時矩形寬度為3068nm，30keV時矩形結(jié)構(gòu)寬度為2269nm，刻蝕寬度分別比設(shè)定的參數(shù)大53.4%和13.45%，由于入射離子劑量相同，實驗結(jié)果表明，刻蝕中5keV時束斑更寬，而入射離子速度變慢，刻蝕能力變低，聚焦性更差。因此在實際應(yīng)用中，根據(jù)需求選擇不同的能量可以達(dá)到不同的效果，如透射電子顯微鏡（TEM）制備過程中，粗切時就需要選用30keV進(jìn)行材料去除，而在減薄過程中則可以選擇入射速度較小的離子轟擊，慢慢減薄。

另外，從圖1（b）中可以觀察到，設(shè)計的方形結(jié)構(gòu)輪廓，結(jié)構(gòu)的邊緣并非垂直側(cè)壁。這是由于入射的束流輪廓呈高斯分布的原因，去除材料主要由能量在半高寬以上的離子分布決定，而半高寬以下分布的離子（beam tail）導(dǎo)致刻蝕出的側(cè)壁非垂直形貌。

三、離子束電流的影響

離子束電流的增加導(dǎo)致入射離子劑量隨著增加，不同電流掃描同樣的結(jié)構(gòu)時，電流越大結(jié)構(gòu)輪廓尺寸也會越大[4]。設(shè)定三組線結(jié)構(gòu)實驗，相同參數(shù)包括：不同電流下刻蝕的線輪廓長度均為10μs，駐留時間是50μs，掃描總時間為20s；三組實驗中電流變化依次為1.5pA、9.7pA和48pA。圖2中結(jié)果為線結(jié)構(gòu)俯視圖，由于線結(jié)構(gòu)輪廓尺寸較小，很難觀察到，因此采用原子力顯微鏡（AFM）對尺寸進(jìn)行測量，主要對比結(jié)構(gòu)的寬度和深度變化情況。

圖3分別為入射電流1.5pA、9.7pA和48pA線結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡（AFM）輪廓結(jié)果，根據(jù)AFM測量結(jié)果量取三種電流下線結(jié)構(gòu)深度和寬度，如圖4所示。

線結(jié)構(gòu)的AFM測量結(jié)果表明，隨著電流的增加，入射的離子數(shù)增加，相同的時間內(nèi)，電流越大刻蝕的線輪廓越深，寬度變化比較緩慢。小電流可用來刻蝕納米級尺寸，大電流材料去除能力較強[5]，實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的需求選用不同的電流進(jìn)行加工。

四、離子束駐留時間對結(jié)構(gòu)形貌的影響

FIB加工過程中，在單點停留時間稱為駐留時間[6]。在蝕刻過程中，當(dāng)入射離子駐留時間增加時，再沉積效應(yīng)隨之產(chǎn)生，此時刻蝕的形貌結(jié)構(gòu)由于再沉積影響發(fā)生變化，因此在測量濺射產(chǎn)額時，研究駐留時間變化對結(jié)構(gòu)的影響是有必要的。

如圖5刻蝕矩形2μm*4μm結(jié)構(gòu)，駐留時間選擇1ms，刻蝕1次，掃描方向為從左到右。從截面結(jié)果可以看到，整個掃描過程中，一次刻蝕深度曲線式加深，并從開始邊界到結(jié)束始終有再沉積存在，并在兩側(cè)壁形成再沉積非晶層。

五、再沉積對結(jié)構(gòu)形貌的影響

駐留時間較大時，會存在再沉積效應(yīng)，利用再沉積可以刻蝕出一些奇特的形貌輪廓[7]。如圖6所示，預(yù)先用小駐留時間（50μs）刻蝕方形結(jié)構(gòu)，掃描次數(shù)為20次；再將駐留時間增加至1000μs后加工矩形結(jié)構(gòu)，掃描次數(shù)為1次，要求此矩形結(jié)構(gòu)交于方形結(jié)構(gòu)的邊緣。

根據(jù)之前實驗可知，第二次刻蝕矩形結(jié)構(gòu)一定存在再沉積效應(yīng)，當(dāng)遇到有一定深度的結(jié)構(gòu)時，由于邊界側(cè)壁非垂直結(jié)構(gòu)，當(dāng)掃描矩形結(jié)構(gòu)刻到傾斜邊界上時，去除材料的能力增加，刻蝕速度增大。兩側(cè)類似肋板的結(jié)構(gòu)，是由于再沉積堆積存在方向性。第二次結(jié)構(gòu)初始掃描時，與方形重疊作用產(chǎn)生一方形輪廓，后續(xù)再沉積時就會沿著這一方形輪廓繼續(xù)堆積，所以最后堆積出一類似肋板的結(jié)構(gòu)。

六、結(jié)論

FIB的微納圖形制備過程中，不同的加工工藝對結(jié)構(gòu)形貌產(chǎn)生一定的影響。材料去除時離子束能量采用30keV時，結(jié)構(gòu)形貌和預(yù)設(shè)的基本一致，小能量加工離子束的聚焦性分散，目前在TEM制備中有所應(yīng)用；相同能量下，不同的入射電流直接改變?nèi)肷鋭┝?，小電流可用來刻蝕納米級結(jié)構(gòu)；當(dāng)增加駐留時間時，再沉積效應(yīng)影響更明顯，再沉積堆積過程中有一定的方向性，可利用其堆積原理制備奇異的再沉積結(jié)構(gòu)。因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際制備需求采用不同的加工工藝加工，才能最終刻蝕出理想的形貌。