微米_纳米加工中的聚焦离子束技术

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广东化工

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2009年第7期

第36卷总第195期微米/纳米加工中的聚焦离子束技术

钱海霞

(深圳大学材料科学与工程系深圳市特种功能材料重点实验室,广东深圳518060)

【摘要】聚焦离子束系统正成为微细加工领域的有力工具。文章筒述了聚焦离子束系统的组成和工作原理,着重介绍了该系统在离子束刻蚀、

离子束辅助沉积和离子注入等微米/纳米加工领域的应用,并对聚焦离子束技术的特点及未来的发展前景进行了总结和分析。

【关键词】聚焦离子柬;刻蚀;沉积;离子注入;微米,纳米加工

【中图分类号]TQ【文献标i照j]A【文章编号]1007—1866(2009)07—0084—03

Micro—?/Nano?-FabricationUsingFocusedIonBeamTechnology

QianHaixia

(ShenzhenKeyLaboratoryofSpecialFunctionalMaterials,DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,

ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China)

Abstract:Focusedionbeam(FIB)technologyhasbccomeincreasinglypopulartoolforthefabricationofverysmallstructures.Inthereview,theFIBsystemanditsinteractionwithsolidsurfacewasintroducedfirst.TheFIBtechnologywasexaminedwithemphasisonitsabilitytoCalTyoutionmilling,ion?assisteddepositionandionimplantation.Finally,concludingremarkswereprovidedwherethestrengthandweaknessofthetechniques

studiedweresmmnarizedandthescopesfortechnologicalimprovementandfutureresearchwererecommended.

Keywords:focusedionbeam;milling;ion—assisteddeposition;ionimplantation;micro一/nano—fabrication

近年来,聚焦离子束技术因其在微米/纳米加工领域的广

阔应用前景而受到广泛关注【lJ。聚焦离子束(FIB)技术是把离子

束斑聚焦到:i亚微米甚至纳米级尺寸,通过偏转系统实现微细束

加工的新技术。与其他高能粒子束流相比,离子束具有较大的

质量,能够以很高的能量和较短的波长直接把图案转移到较硬

的基体材料上。因为离子束与材料作用过程中不发生散射,所

以图案的尺寸主要由束斑直径及离子束和材料的作用机理决

定。在半导体集成电路的生产开发中,FIB已经成为一个不可

或缺的工具,被广泛应用于掩模修整、电路修改和失效分析等

领域12“。FIB正在成为制造高质量、高精度纳米结构的有力手

段【5.6】。

文章首先介绍了FIB系统及其工作原理,然后结合笔者

所做工作介绍了FIB技术的三种基本加工手段:刻蚀、离子

辅助沉积和离子注入,最后指出了聚焦离子束(FIB)技术的特

点和发展趋势。

1聚焦离子束系统

FIB系统主要由离子源、离子束聚焦/扫描系统和样品台

组成。FIB系统的结构示意图如图l所示。在离子柱顶端的液态金属离子源上加强电场获得带正电荷的离子,通过位于柱体中的静电透镜、八极偏转装置将离子束聚焦成很小的离子束斑,轰击位于样品台的样品。

图1聚焦离子束系统的结构示意图

Fig.1Schematicimageoffocusedionbeamsystem

FIB的发展是由离子源的发展所决定的。离子源为FIB系统提供稳定的、可聚焦的离子束,其尺寸大小直接影响FIB

【收稿日期】2009.01—12

【基金项目】深圳大学科研基金资助面上项目(200920)

【作者简介1钱海i霞(1976-),女,湖北十堰人,博士,讲师,主要研究方向为高能束流与材料的作用机理。

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系统的分辨率。表征离子源的主要参数为亮度、源尺寸、稳定性和寿命等。目前FIB系统常用的是液态金属离子源(LMIS),液态金属离子源包括Au、Cs、In、Bi、Pb、Ga等。由于Ga+离子源具有低熔点( ̄30℃、低蒸汽压、高亮度(106A/(cm2-sO、长寿命(~1500h)及高稳定性,是目前最广泛使用的离子源¨J。

目前世界上生产FIB设备的主要厂商有FAi、FEI、Himchi、JEOL、Seiko和NANOFAB等。FIB系统中主要可调节参数有电压、电流、离子束入射角、离子剂量、辐照时间等。以FEIQuanta3D200系统为例,最大电压为30kV,最大电流密度是58A/em2,最小束斑直径为7衄,离子束的入射角度和辐照剂量可连续调节。

离子束轰击固体材料表面,与材料中电子和原子发生作用并将部分能量传递给样品材料中的电子和原子,固体近表面的原子获得足够大的能量而最终逸出固体表面产生溅射;收集离子束轰击样品过程中产生的二次电子或二次离子,还可以在离子束加工过程中实时获得加工表面的显微形貌。离子束流与材料的作用原理决定了聚焦离子束具有刻蚀、沉积和离子注入等功能。2聚焦离子束系统的应用

2.1离子刻蚀

由于离子具有较大质量,经加速聚焦后轰击材料表面会发生溅射,通过逐点扫描的方式可以对材料表面进行徼区刻蚀。刻蚀深度由束流大小、刻蚀面积和刻蚀时间等参数决定,刻蚀的形状由离子束的扫描范围决定。周期性微纳米结构的加工有两种解决方案:一种是改变束斑与束斑之问的霞叠度,使能量分布不均匀并在空间具有周期性,从而制备出规则纳米结构pJ.另一种是通过引入位图I冬j形对加工过程进行控制从而得到与位图相同的结构一J。后种方法的原理是图形的颜色与离子束斑在每一扫描点的驻留时问存在对应关系,即不同颜色的区域有不同的离子剂量(刻蚀深度)。在图2(a)所示的黑自位图中,白色区域具有设定的驻留时间,而离子束斑在黑色区域的驻留时间为零,即黑色区域不发生刻蚀。控制扫描的面积和离子剂量可以得到任意周期的柱体阵列结构。图2(b)显示了通过改变束斑间的重叠度得到周期为600nlTl的光栅,而图2(c)则是采用位图制备出的周期为240nllq的纳米阵列。采用位图的方式还可以在材料表面加工出任意形状的结构。

图2(a)黑白位图;(b)周期为600nm的光栅结构;(c)周期240nm的纳米结构阵列

Fig.2(a)Blackandwhitebitmapfile;(b)Gratingswithapedodof600rtm;(c)Nanopillarswithaperiodof240nrn

为了提高离子束刻蚀的速率和离子束刻蚀对不同材料的选择性,通常在刻蚀过程中用气体注入系统加入一定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其基本原理就是用高能离子束将惰性的辅助刻蚀气体分子(如卤化物气体)变成活性原子、离子和自由基,这些活性基团与样品材料发生化学反应生成挥发性物质,脱离样品后被真空系统抽走,从而实现快速刻蚀。该技术的最大特点是可以大幅度提高刻蚀速率、刻蚀对材料的选择性和结构侧壁的垂直性等。

2.2离子注入

高能离子在与材料原子的相互作用过程中,离子的能量逐渐减小并最终留在材料内部,这种现象称为离子注入。利用FIB可以对特定的区域甚至点进行无掩模离子注入,并且能够精确控制注入的深度和剂量。比如,利用合金液态金属离子源(如AuSiBe、CoNe)FIB系统(配有质量分析器)可以选择不同的离子(如Au、Si、B、As、Ga、In等离子)注入到同一样品,从而在一定范围内形成特定的掺杂或具有特定物化性质的薄膜。研究发现,当镓离子注入浓度足够大时,注入区域在特定的蚀刻剂如KOH中或反应离子刻蚀中蚀刻速率将显著下降【l…,因而离子注入区域在后续的刻蚀加工中扮演着掩模的角色。利用聚焦离子束注入和湿法刻蚀或干法刻蚀的结合,可以在特定区域高效地加工出纳米结构。图3(a)表示由位图控制的Ga+注入剂量为1.59x10”ions/cm2的表面,经40s反应离子刻蚀后材料表面呈现出高度为100nm的纳米锥体阵列(图3(b)。图3(c)表示由位图控制的Ga+注入剂量为I.59×10”ions/cm2时表面已经有深度为4nm的刻蚀坑阵列,这些刻蚀坑在后续的反应离子刻蚀中起到掩模的作用,经40s反应离子刻蚀后材料表面呈现出高度为810

llln的纳米锥体阵列,如图3(d)所示。

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图3(a)Ga+注入剂量为1.59X10”ions/cm2的表面;(b)深度反应离子刻蚀(DRIE)40s;(C)Ga+注入剂量为1.59X10”ions/cm2

的表面和(d)深度反应离子刻蚀40S

Fig.3(a)Areaimplantedwithiondoseofl.59x10。5ions/cm2;(b)AfterDRIEfor40s;(c)Areaimplantedwithiondoseofl.59x1016

ions/cm2;(d)AfterDRIEfor40S

2.3离子束辅助沉积

FIB能够无掩模沉积金属和绝缘材料。通过样品室中安装的气体注入系统将金属有机物气体喷涂到样品上待沉积区域,高能离子束的轰击导致有机物发生分解,分解产物中的固体成分(如Pt、Si02)沉积到表面,而可挥发的气体部分被真空系统抽走。当离子束按照一定的I鲁j形进行扫描时就可形成特定的微结构。图4表示利用位图在硅片上沉积的Pt阵列。

图4Si片上沉积的10X10Pt阵列

Fig.410x10PtarraysdepositedonSiwafer

沉积速率与有机物分解速率和溅射速率有关。当离子束流较小时,随着束流的增大,金属有机气体的分解速率加快,薄膜的沉积速率也相应加快。在合适的束流下所有气体被完全分解利用,此时,沉积速率达到最大值。若离子束流继续增大,与气体反应后多余的束流会对已沉积的区域产生溅射作用,使沉积速率逐渐减小。

3结论

FIB具有离子刻蚀、离子注入和薄膜沉积功能。FIB加工对材料几乎无选择性,定位准确,分辨率很高(町以达到数个纳米量级),且可实现无掩模加工。FIB系统在微米/纳米技术中得到广泛应用,特别是在显微分析、精细加工和三维微结构直接精确成型方面最为突出。但FIB系统的主要缺点是加工速率低。随着液态金属离子源亮度和束斑稳定性的不断提高,FIB系统将是未来微米/纳米加工技术的主流工具,应用将更加广泛。

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(本文文献格式:钱海霞.微米/纳米Jjn-re尸的聚焦离子束技术

【J】.广东化工,2009,36(7):84—86)

微米/纳米加工中的聚焦离子束技术

作者:钱海霞, Qian Haixia

作者单位:深圳大学,材料科学与工程系,深圳市特种功能材料重点实验室,广东,深圳,518060

刊名:

广东化工

英文刊名:GUANGDONG CHEMICAL INDUSTRY

年,卷(期):2009,36(7)

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