聚焦离子束技术

讲习班总结

7月11日（周二）

1.聚焦离子束技术（FIB）

定义：将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束扫描运动，实现微纳米图形的检测分析和微纳米结构的无掩模加工。

离子源：液态金属镓

应用：掩模板修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜样品制备、三维结构直写等方面。

基本组成：离子源、电子透镜、扫描电极、二次粒子探测器、多轴多向移动的样品台、真空系统。

聚焦离子束与SEM一样，通过偏转系统控制离子束在样品表面进行光栅式扫描，同时由信号探测器接受被激发出来的二次电子或二次离子等信号，从而得到样品表面的形貌图像。FIB激发的二次电子信号强度除了与表面形貌有关外，还因样品的晶体取向、原子质量有明显的不同。

FIB获得的图像SEM获得的表面形貌包含的信息更为丰富。

FIB可以分析薄膜材料每层厚度，也可以用作成分分析。

FIB+EDS 可以做三维成分分析。

刻蚀和切割是聚焦离子束技术最主要的功能。FIB通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，从而按照设定的图案刻蚀出设计的结构。

在刻蚀过程中，溅射溢出的颗粒大部分被真空泵抽走，但有部分会掉落在被刻蚀区域附近，这一过程成为再沉积。再沉积会对临近的结构形成填埋，因此在刻蚀多个相邻的结构时，通常采用并行的模式，以减小再沉积的影响。

在实际应用聚焦离子束加工制作微纳米结构时，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最终加工制作出的结构有时会产生缺陷，这些缺陷主要包括：倾斜侧壁

在聚焦的束斑内，离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有~4°的锥度。

要想得到与样品表面完全垂直的截面，通常采用将样品人为倾斜特定的角度，以弥补截面与离子束入射角度之间的偏差。另外，还可以采用侧向入射的方式进行切割，通过定义刻蚀图案来控制截面与表面的角度，灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。

窗帘结构

聚焦离子束加工样品截面时，另外一个需要关注的问题是截面的平整度，有时会在截面上出现竖直条纹，被称为窗帘结构。窗帘结构的形成与聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁密切相关，当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，就会形成窗帘结构。

对于表面形貌起伏引起的窗帘结构，解决办法通常是在样品表面用FIB辅助化学气相沉积生长一层保护层，使表面变得平坦；也可以通过改变离子束的入射方向，从没有起伏的面开始切割，从而避开其影响。对于成分差异引起的窗帘结构，可以通过摇摆切割的方式，使离子束在多个角度入射进行消除。

非均匀刻蚀

聚焦离子束可以直接快速地加工制作微纳米平面图形结构，对于非晶体材料或单质单晶材料，FIB刻蚀通常可以得到非常平整的轮过形状和底面，但对于多晶材料和多元化合物材料，由于各个晶粒的取向不同，刻蚀速率在不同晶粒区域也会不同，经常会呈现非均匀刻蚀，底面并不平整。

对于多晶材料刻蚀出现的非均匀性加工缺陷，可以通过增大离子束扫描每点的停留时间来加以改善。聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子会落回样品表面，该过程称为再沉积。增大离子束在每点的停留时间，再沉积的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。

气体辅助刻蚀可以大大提高刻蚀速率，减少再沉积，提高深宽比极限。（离子束辅助沉积）

聚焦离子束辅助沉积实际上是利用高能量的离子束辐照诱导特定区域发生化学气相沉积反应，有时也被称为离子束诱导沉积。

由于辅助沉积过程中，离子束不断地轰击样品表面，刻蚀与沉积的过程并存。

因此，应严格控制束流密度。

7月12日（周三）

2.刻蚀技术

在微电子工艺中，刻蚀工艺通常主要是作为微纳图形结构的转移方法，将光刻、压印或电子束曝光得到的微纳图形结构从光刻胶上转移到功能材料表面。

刻蚀的表征：

（1）刻蚀速率，目标材料单位时间内刻蚀的深度。

（2）选择比也叫抗刻蚀比，是刻蚀过程中掩模与刻蚀衬底材料的刻蚀速率之比。

（3）方向性或各向异性度，是掩模图形中暴露位置下方的衬底材料在不同方向上刻蚀速率的比。

（4）刻蚀深宽比，刻蚀特定的图形时图形的特征尺寸与对应能够刻蚀的最大

深度之比，反映出刻蚀保持各向异性刻蚀的能力。

（5）刻蚀粗糙度，包括边壁的粗糙度和刻蚀位置底面的粗糙度，能反映出刻蚀的均匀性和稳定性。

（6）关键尺寸。

（7）最小特征线宽。

（8）均匀性。

（9）可重复性。

离子束刻蚀

离子束刻蚀是一种纯物理过程，可适用于任何材料，因此，离子束刻蚀的掩模和衬底不可能有太好的选择比，不可能实现较深的刻蚀。

为了克服离子束刻蚀中出现的问题，引入了化学反应机制，离子轰击与化学反应结合的反应离子刻蚀（RIBE）和化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）。

在RIBE中，离子定向轰击保证了离子与目标材料的化学反应具有很好的方向性，因而使RIBE同样具有较高的各向异性能力；另外还能强化表面所吸附气体分子与表面材料的化学反应，从而成倍的提高了对目标材料的刻蚀速度，同时大大提高了刻蚀的选择比，使得大深宽比的图形刻蚀成为可能。

在离子束刻蚀中，刻蚀速率由很多因素决定，如入射离子能量、束流密度、离子入射角度、材料成分及温度、气体与材料化学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度配比、材料种类和电子中和程度等。