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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-09-01 10:47
綜述了聚焦離子束濺射在微米/納米制造方面的應(yīng)用，討論了微米/納米結(jié)構(gòu)材料的濺射方法
一些物理量：
J0=電流強(qiáng)度峰值（位于粒子束的中心）
K1，K2=不同晶體結(jié)構(gòu)的材料因數(shù)以及其他的獨(dú)立屬性
α=能量傳遞系數(shù)
φ=離子流量
η=目標(biāo)原子密度
σ=標(biāo)準(zhǔn)差
δ=像素間距（單位：納米）
φ（x，y）=（x，y）點(diǎn)處的離子流量
εb=原子鍵能
?Zij=點(diǎn)（x，y）處的濺射深度
a=累積強(qiáng)度變量剖面的峰谷值
A=孔徑尺寸（納米）
B=粒子束功能
d=離子量
fx，y=二維高斯光束的能量密度
I=離子束流量總量
J（x，y）=點(diǎn)（x，y）處的離子流強(qiáng)度
M=材料功能常數(shù)
mi，mt=入射離子的質(zhì)量以及目標(biāo)粒子的質(zhì)量
MRR=材料移除率
R=濺射面厚度
r=FIB半徑（納米）
Ra，Rmax=表面粗糙度的平均值及最大值（谷峰值）
S（θ）=濺射角
TC=濺射時(shí)間
Td=保延時(shí)間
tx，y=點(diǎn)（x，y）處的離子濺射保延時(shí)間
U0=原子鍵能
V=增速電壓
Y（E）=普通濺射產(chǎn)量
z=濺射深度
Zi，Zt=源原子的核電荷數(shù)和目標(biāo)原子的核電荷數(shù)
一、介紹
聚焦離子束系統(tǒng)（FIB-focused ion beam）商業(yè)化制造已經(jīng)接近30年。最初主要供應(yīng)給大型半導(dǎo)體制造商。聚焦離子束FIB，利用鎵離子在很高的空間分辨率下切割去除材料。這樣可以在樣品特殊的位置制作剖面（斷面）。樣品既可以直接在FIB中研究，也可以轉(zhuǎn)移到掃描電鏡或者透射電鏡中進(jìn)行精細(xì)分析。當(dāng)鎵離子和一定氣體作用，它也有可能沉積材料。因此FIB在很廣闊的應(yīng)用范圍內(nèi)能被用于多功能工具使用。
FIB系統(tǒng)的操作除了不用電子束以外和掃描電鏡工作方式非常相似。大多數(shù)FIB系統(tǒng)裝備液態(tài)金屬離子源（LMIS），加熱的同時(shí)伴隨一定的拔出電壓，獲得鎵離子束。通過一套電子透鏡精細(xì)聚焦的鎵離子束，在束偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，形成掃描光柵。離子束的能量分散約為5ev，為了降低像差，在離子束光軸上設(shè)置光闌，為了消除象散，使用八級(jí)線圈作為消象散器。如果是合金離子源，通過質(zhì)量選擇器來選擇離子。離子束可通過濺射對(duì)樣品局部進(jìn)行移除，局部沉積，也可以用于材料FIB表面成像。
聚焦離子束（FIB）在顯微機(jī)械加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用例如分析及修改集成電路、修剪磁頭等，F(xiàn)IB的應(yīng)用可以成功地?cái)U(kuò)展在其他領(lǐng)域并取得成就，用于掃描電子顯微鏡（SEM）成像技術(shù)，也可以用于其他分析設(shè)備諸如：隧道電子顯微鏡（TEM），二次離子質(zhì)譜（SIMS）等。聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion beam，F(xiàn)IB）系統(tǒng)是利用電子透鏡將離子束聚集成非常小尺寸的顯微精細(xì)切割儀器，目前商用系統(tǒng)的離子束多為液體金屬離子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂械腿埸c(diǎn)、低蒸汽壓，及良好的抗氧化能力。
聚焦離子束顯微境的基本功能可分為四種，即：
1. 精細(xì)切割，利用粒子的物理碰撞來達(dá)到切割的目的；
2. 選擇性的材料蒸鍍，以離子束的能量分解有機(jī)金屬蒸汽或氣相絕緣材料，在局部區(qū)域作導(dǎo)體或非導(dǎo)體的沉積，可供金屬和氧化層的沉積，常見的金屬沉積有鉑和鎢兩種；
3. 增強(qiáng)刻蝕或選擇性刻蝕，輔以腐蝕性氣體，加速切割的效率或作選擇性的材料去除；
4. 刻蝕終點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)二次離子的信號(hào)，以此了解切割或刻蝕的進(jìn)行狀況。
聚焦離子束顯微境在IC工業(yè)上的應(yīng)用，主要分為五大類：
1. 線路修改和布局驗(yàn)證；
2. 元器件失效分析；
3. 生產(chǎn)線工藝異常分析；
4. IC工藝監(jiān)控一例如光刻膠的切割；
5. 透射電子顯微鏡樣片制作。
液態(tài)金屬離子源（LMIS）使FIB能夠在FIB顯微機(jī)械加工領(lǐng)域獲得更小的直徑，F(xiàn)IB濺射是一種新興技術(shù)用于無掩膜精密加工。入射離子沖擊襯底然后以階梯碰撞形式釋放出粒子，這兩種濺射都是干蝕刻/濺射以及氣體輔助蝕刻（GAE），GAE是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，因?yàn)椴牧系囊瞥Q于氣體的化學(xué)反應(yīng)和活潑離子的物理變化以及氣體變化和活潑離子的共同作用。
干濺射對(duì)于FIB顯微機(jī)械加工顯得越來越重要主要是因?yàn)樗谖⒚?納米領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
對(duì)于FIB的主要的研究課題是計(jì)算濺射參數(shù)以便達(dá)到特定的幾何形狀和表面光潔度。
隨著數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，F(xiàn)IB濺射過程對(duì)精密加工顯得更加重要。事實(shí)上，幾乎所有的材料都能被濺射，當(dāng)然也能被FIB以5~10nm的工藝尺寸所直觀地展現(xiàn)出來。FIB濺射的材料移除率比化學(xué)氣相沉積更高，而FIB濺射具有更小的尺寸。
FIB在精密加工方面的應(yīng)用領(lǐng)域以及其與LIGA的（平版印刷、電鍍、模具）競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行了討論。最后，給出了LIGA-similar過程和微小組成部分的大規(guī)模生產(chǎn)。
二、FIB的基本原理
高能離子被靜電電壓轉(zhuǎn)移到襯底，離子流沿著狹長(zhǎng)的圓筒型隧道移動(dòng)。
穩(wěn)壓電源將發(fā)射源物質(zhì)稍加熱以維持發(fā)射源的流動(dòng)性。
在離子化進(jìn)程中，液態(tài)金屬原子有失去電子的傾向，然后變成陽(yáng)離子。帶電以后，離子可被加速、聚集或被電場(chǎng)控制。
他們較高的質(zhì)量能誘導(dǎo)濺射效應(yīng)的發(fā)生。加速電壓使離子在接地點(diǎn)加速，加速電壓越高，離子移動(dòng)速度越快
2.1 儀器
基本的單波束儀器由液態(tài)金屬離子源、一個(gè)離子柱、樣品載臺(tái)、真空腔組成。
典型的離子束顯微鏡包括液態(tài)金屬離子源及離子引出極、預(yù)聚焦極、聚焦極所用的高壓電源、電對(duì)中、消像散電子透鏡、掃描線圈、二次粒子檢測(cè)器、可移動(dòng)的樣品基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電路控制板和電腦等硬件設(shè)備。
2.2 離子束剖面與直徑
對(duì)于離子束剖面以及離子強(qiáng)度分布的分析是一個(gè)基本的條件。離子束剖面通常被看作是圓截面上的高斯分布。
其中，I=離子束總強(qiáng)度，，J（x，y）=點(diǎn)（x，y）處的離子流量密度。
2.3 濺射原理
FIB可以用于直接和無掩模的圖案襯底制作上。襯底的材料可以是硅、鎢、鋼或者任何其他的晶體材料。被質(zhì)子轟擊和被濺射的離子分別稱作初級(jí)和次級(jí)離子。在逐行掃描的過程中，離子束停留在一個(gè)特定的點(diǎn)上并持續(xù)一段時(shí)間，然后移至下一個(gè)像素點(diǎn)。兩個(gè)像素點(diǎn)之間的距離稱作“像素距離”，當(dāng)一行中的所有位點(diǎn)都被掃描完成之后，離子束將移動(dòng)至下一行。當(dāng)整個(gè)濺射區(qū)域都被掃描完成以后，離子束將重新開始掃描直到它用完所提供的離子劑量。外加電場(chǎng)于液態(tài)金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束。在一般工作電壓下，尖端電流密度約為10-SMem：，以電透鏡聚焦，經(jīng)過可變孔徑光闌，決定離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面，利用物理碰撞來達(dá)到切割的目的，離子束到達(dá)樣品表面的束斑直徑可達(dá)到7納米。從表面逸出的各種粒子來自不同的物理過程，帶有豐富的表面信息。比較重要的有以下幾種：1散射離子，在表面或表層彈性散射或非彈性散射的入射離子，它們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；3二次電子，發(fā)射的電子可能來自表面，也可能來自比較深層。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；4x射線及光發(fā)射，可能來自表面及表層，各種退激發(fā)及離子中性化過程都可以導(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。
樣品表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是離子束顯微鏡影像的來源。影像的解析度決定于離子束的大小，離子束的加速電壓，二次粒子訊號(hào)的強(qiáng)度，試片接地的狀況以及儀器抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的狀況。純物理濺射過程中，由于被濺射物質(zhì)往往是不揮發(fā)的，容易引起重淀積現(xiàn)象而降低刻蝕效率，重淀積的程度與坑的深度和被濺射出的離子數(shù)成正比，即與濺射刻蝕的離了束流大小成正比。氣體注入系統(tǒng)的引入可以克服上述缺點(diǎn)。在刻蝕過程中，將反應(yīng)氣體噴到樣品表面的刻蝕區(qū)域。高能離子束誘生吸附在樣品表面的氣體與刻蝕區(qū)樣品進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物由真空泉抽走，這就是“增強(qiáng)刻蝕”。它不僅有效地防止了重淀積，提高了濺射速率，且具有相同的刻蝕形狀和精確度，而且對(duì)不同樣品材料有很好的選擇性，即在同樣的刻蝕條件下。由于不同材料與反應(yīng)氣體的化學(xué)活性不同而使刻蝕速率明顯不同，從而大大降低了對(duì)刻蝕終點(diǎn)控制的要求。
三、FIB濺射模型
盡管FIB濺射能制備高精確度的微元件，控制濺射深度是相當(dāng)困難的。如果襯底的材料既不是集成電路，也不是晶圓，那么SIMS（二次離子質(zhì)譜技術(shù)）能以20nm的精確度探測(cè)并鑒定出過渡層。但是，對(duì)于單一組成的材料而言，SIMS技術(shù)則無法使用。這樣就導(dǎo)致末端點(diǎn)的檢測(cè)成為FIB濺射的難點(diǎn)。表面粗糙度的估測(cè)則是FIB濺射微加工中的另一個(gè)關(guān)鍵性問題。在如下幾個(gè)部分中，若干模型被討論如何達(dá)到期望的濺射深度、幾何完整性以及表面拋光處理。
3.1 離子束與樣品相互作用
非彈性作用：電子能量損失，離子化。
彈性作用：原子核能量損失，離子能量直接轉(zhuǎn)移到樣品的原子，從樣品表面濺射樣品原子，離子束反射，背散射，取代樣品原子，離子注入。
離子反射或者背散射
電子發(fā)射
電磁輻射
原子濺射和離子發(fā)射
固體樣品損傷
固體樣品發(fā)熱
3.2 離子束的濺射作用
由于離子束的濺射作用，F(xiàn)IB能用于局部的去處或者研磨掉材料。
隨著離子束入射角度增加，離子束與樣品相互作用的每次碰撞流濺射出的原子數(shù)量增加。（和ISE產(chǎn)額隨表面幾何形貌變化的效應(yīng)類似）。然而，同時(shí)離子反射或者背散射分量也在增加。這兩個(gè)合并效應(yīng)導(dǎo)致在入射角度接近75-80°時(shí)，濺射產(chǎn)額達(dá)到最大值。這個(gè)效應(yīng)由Ga離子在25-30kev能量射入到各種各樣的材料上證明的，包括單晶硅，非晶體二氧化硅，多晶Au和W，顯示理論和試驗(yàn)之間很好的一致性。硅或者非晶體硅對(duì)于這個(gè)研究是理想的，因?yàn)楸苊饩w通道效應(yīng)（非晶硅的表面區(qū)域在鎵離子束下）。在入射角度和通道效應(yīng)同時(shí)存在條件下，晶體材料的反應(yīng)更加復(fù)雜。
在給定入射角度的濺射產(chǎn)額隨有多種因素變化，通道的晶體取向。容易的通道取向，離子只經(jīng)歷非彈性作用，與躺在晶面里樣品原子掠射角碰撞，在引起彈性散射前，深入晶體內(nèi)部，因此只有少數(shù)原子從表面被濺射。這好比晶體取向效應(yīng)對(duì)低能電子產(chǎn)額的影響。在垂直晶界的濺射通道效應(yīng)。濺射剖面圖還有賴于在樣品表面掃描光柵的方向和序列。例如，環(huán)形的濺射輪廓，被快速和重復(fù)的掃描切割，與慢掃描逐點(diǎn)切割不同。
再沉積減少了濺射產(chǎn)額的效果，改變?yōu)R射輪廓。產(chǎn)額的降低發(fā)生原因再沉積的材料在濺射的區(qū)域重新著陸，必需再一次濺射。再沉積也給出完全垂直的邊墻沒有過分傾斜樣品時(shí)不能被FIB切割的原因。當(dāng)然也有部分原因離子束剖面尾礦密度和入射角度的降低。許多再沉積效應(yīng)的細(xì)節(jié)保持開放，諸如晶體曲線和通道效應(yīng)。
除了再沉積，在濺射過程中，表面粗糙度和陰影效應(yīng)是普遍存在的。
四、FIB濺射技術(shù)的應(yīng)用
自從FIB濺射技術(shù)用于材料的移除之后，這項(xiàng)技術(shù)又被用于微工程學(xué)之下的各個(gè)領(lǐng)域：昂貴的X射線防護(hù)面具、對(duì)于生物學(xué)和藥劑制品的研究等等。這些都是FIB的新應(yīng)用之一：SIMS技術(shù)、TEM樣品制備、高長(zhǎng)徑比顯微結(jié)構(gòu)、以及若干種其他的微米/納米結(jié)構(gòu)的制備。這些組件的外形輪廓的范圍大致是從亞微米至數(shù)百微米。制造出來的微腔用于制造聚合物微組件，這些組件通常用于微光刻電鑄過程。
來源：Internet
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