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聚焦離子束FIB
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) F1 Z3 |2 G7 j1 o/ g3 Glasur_job 發表于: 2006-12-31 09:43 來源: 半導體技術天地
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$ v, Q. d0 A; g, ?- d M聚焦離子束曝光技術1 Y* _# ^: S6 E
馬向國1、2，顧文琪1 2 W: s, O7 D d1 a. S0 j
（1、中國科學院電工研究所，北京100080；2、中國科學院研究生院 北京100039）
8 I7 N7 R+ t: W" d摘要：聚焦離子束技術是一種集形貌觀測、定位制樣、成份分析、薄膜淀積和無掩模刻蝕各過程于一身的新型微納加工技術。它大大提高了微電子工業上材料、工藝、器件分析及修補的精度和速度，目前已經成為微電子技術領域必不可少的關鍵技術之一。對聚焦離子束曝光技術作了介紹。
% T7 t( c [7 D( R3 Z關鍵詞：聚焦離子束，液態金屬離子源，曝光
. A5 k8 e9 B: F" n$ _5 D中圖分類號：TN305.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004－4507（2005）12－0056－03 * Y1 r9 ~8 h5 q! e' F5 {& P
聚焦離子束也可以像電子束那樣作為一種曝光手段。離子束曝光有非常高的靈敏度，這主要是因為在固體材料中的能量轉移的效率遠遠高于電子。常用的電子束曝光抗蝕劑對離子的靈敏度要比對電子束高100倍以上。除了靈敏度高之外，離子束曝光的另一優點是幾乎沒有鄰近效應。由于離子本身的質量遠大于電子，離子在抗蝕劑中的散射范圍要遠小于電子，并且幾乎沒有背散射效應。本文首先對聚焦離子束系統做了簡單介紹，然后介紹了聚焦離子束曝光技術及其應用。
) b* m0 ], {6 N4 {; s0 @1 液態金屬離子源
N; M" X7 S) D離子源是聚焦離子束系統的心臟，真正的聚焦離子束始于液態金屬離子源的出現，液態金屬離子源產生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優點，使之成為目前所有聚焦離子束系統的離子源。液態金屬離子源是利用液態金屬在強電場作用下產生場致離子發射所形成的離子源[1、2]。液態金屬離子源的基本結構如圖1所示
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在源制造過程中，將直徑0.5mm左右的鎢絲經過電化學腐蝕成尖端直徑只有5－10μm的鎢針，然后將熔融的液態金屬粘附在鎢針尖上，在外加強電場后，液態金屬在電場力作用下形成一個極小的尖端（泰勒錐），液態尖端的電場強度可高達1010V/m。在如此高的電場下，液態表面的金屬離子以場蒸發的形式逸出表面，產生離子束流。由于液態金屬離子源的發射面積極小，盡管只有幾微安的離子電流，但電流密度約可達106A/cm2，亮度約為20μA/sr。
- H* L/ u6 I6 y8 f, y2 聚焦離子束系統的工作原理
2 n- {# n1 G, |! X5 r聚焦式離子束技術是利用靜電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割技術，目前商用FIB系統的粒子束是從液態金屬離子源中引出。由于鎵元素具有低熔點、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力，因而液態金屬離子源中的金屬材料多為鎵（Gallium，Ga）[3、4]。圖2給出了聚焦離子束系統結構示意圖。
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2 _$ m, x1 u% a9 [" U0 o+ ~4 u5 v( A在離子柱頂端外加電場（Suppressor）于液態金屬離子源，可使液態金屬或合金形成細小尖端，再加上負電場（Extractor）牽引尖端的金屬或合金，從而導出離子束，然后通過靜電透鏡聚焦，經過一連串可變化孔徑（Automatic Variable Aperture，AVA）可決定離子束的大小，而后用E×B質量分析器篩選出所需要的離子種類，最后通過八極偏轉裝置及物鏡將離子束聚焦在樣品上并掃描，離子束轟擊樣品，產生的二次電子和離子被收集并成像或利用物理碰撞來實現切割或研磨。 E O q3 ^6 _! w
3 聚焦離子束曝光技術
% J$ J1 B4 R# j. b. I" m7 [+ t4 ?3.1 聚焦離子束曝光技術概述
3 D- R% e6 ^4 J3 H* L7 `1 s( u# U聚焦離子束曝光是一種類似于電子束曝光的技術，它是在聚焦離子束技術基礎上將原子離化后形成離子束的能量控制在10～200keV范圍內，再對抗蝕劑進行曝光，從而獲得微細線條的圖形。其曝光機理是離子束照射抗蝕劑并在其中沉積能量，使抗蝕劑起降解或交聯反應，形成良溶膠或非溶凝膠，再通過顯影，獲得溶與非溶的對比圖形。! N5 K2 g; E/ S0 x9 [
聚焦離子束曝光技術自發展以來，由于其曝光深度有限以及曝光系統與曝光工藝的復雜性，發展受到了限制。但在實驗條件下，聚焦離子束仍可作為制作小批量研究性質的器件的一種工具。真正把聚焦離子束認真地作為一種大規模集成電路生產的曝光工具來開發是20世紀90年代后期的聚焦離子束投影曝光技術。 , F( }: F! B) J: Z" I
3.2 聚焦離子束投影曝光技術 0 K i7 F3 g ^* s, T5 \/ ?
根據是否有靜電離子投影鏡，聚焦離子束投影曝光技術可分為有掩模的1：1聚焦離子束投影曝光和有掩模的聚焦離子束縮小投影曝光兩類。
; N2 E+ W3 }7 u1 i圖3表示的是有掩模的1：1聚焦離子束曝光示意圖，它包括離子源、離子束照明系統、鏤空掩模和工件臺等。它是將平行的離子束照射在鏤空掩模上，使掩模上的圖像直接映在下面的工件臺上，象拍照一樣一次性產生曝光圖形。 5 v* } p4 l4 O' |% D
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- K% z% G) p" I* ?: T圖4是有掩模的離子束縮小投影曝光的原理示意圖，它包括離子源、離子束系統、鏤空掩模、靜電離子束投影鏡和工件臺等。它是在掩模和工件間加一個靜電離子束投影鏡，使經過掩模的圖像按比例縮小到工件臺上，從而使曝光圖形的線寬得到進一步的縮小，同時也縮小了掩模制作上的缺陷，大大地降低了掩模的制作難度。然而這種掩模也面臨著應力和入射離子造成的發熱等問題，為此采取了一系列措施，如：對掩模進行摻雜；對膜增加保護層；設計掩模冷卻系統及通過有限元分析改進了掩模框架的設置，避免氣流對掩模造成振動等。! y, ?# T" G1 M" L
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# u9 i# P& z- \1 d) a( G1 c3.3 聚焦離子束投影曝光技術的優點
/ y% x& R W8 }; r6 t9 U# Q聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm之內，離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1～2μm為，圖5顯示了聚焦離子束投影曝光獲得的線條圖形。線條跨越硅片表面的起伏結構時其線寬沒有任何變化。聚焦離子束投影曝光的另一個優點是通過控制離子能量可以控制離子的穿透深度，從而控制抗蝕劑的曝光深度。 ! f& k4 Y1 ?. X# \
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/ ]4 C5 G) v" C; t/ R4 結論
% g! W+ M- D& C聚焦的離子束在半導體行業有著重要作用，可用來切割納米級結構，對光刻技術中的屏蔽板進行修補，制作透射電鏡樣品，分離和分析集成電路的各個元件，激活由特殊原子組成的材料，使其具有導電性等等。我國的科研單位及高等院校在聚焦離子束曝光技術及其應用方面也作了大量的研究工作并取得了可喜的成績。我們相信，隨著我國微電子工業的發展，聚焦離子束曝光技術及其應用技術也必將被提高到新的水平。 |
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樓主: 機械神話
發表于 2008-12-13 14:59:40
樓主
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發表于 2008-12-21 21:35:22
