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聚焦離子束FIB
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lasur_job 發(fā)表于: 2006-12-31 09:43 來源: 半導(dǎo)體技術(shù)天地 # m8 C1 M8 P! Q0 J. d7 N1 W
. z, i( P0 X- Y% p! }聚焦離子束曝光技術(shù)
. s, O: x9 ~$ x& ~3 c馬向國1,、2，顧文琪1
6 J: s9 j }3 O3 h1 l. R, T( d" o（1、中國科學(xué)院電工研究所,，北京100080；2,、中國科學(xué)院研究生院 北京100039）" W" p0 P0 x+ o- u# X7 s3 p+ i
摘要：聚焦離子束技術(shù)是一種集形貌觀測,、定位制樣、成份分析,、薄膜淀積和無掩�,？涛g各過程于一身的新型微納加工技術(shù)。它大大提高了微電子工業(yè)上材料,、工藝,、器件分析及修補(bǔ)的精度和速度，目前已經(jīng)成為微電子技術(shù)領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一,。對聚焦離子束曝光技術(shù)作了介紹,。
6 f) w9 E: {# S6 \關(guān)鍵詞：聚焦離子束，液態(tài)金屬離子源,，曝光 + v0 D1 H: O1 `7 d
中圖分類號：TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004－4507（2005）12－0056－03
& n0 N! A( }4 J( B, y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?yàn)樵诠腆w材料中的能量轉(zhuǎn)移的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yōu)點(diǎn)是幾乎沒有鄰近效應(yīng),。由于離子本身的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子,，離子在抗蝕劑中的散射范圍要遠(yuǎn)小于電子，并且?guī)缀鯖]有背散射效應(yīng),。本文首先對聚焦離子束系統(tǒng)做了簡單介紹,，然后介紹了聚焦離子束曝光技術(shù)及其應(yīng)用。
8 J* `. i! a; H) `7 V1 液態(tài)金屬離子源
7 ^! c# W. J2 u) x4 a離子源是聚焦離子束系統(tǒng)的心臟,，真正的聚焦離子束始于液態(tài)金屬離子源的出現(xiàn),，液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優(yōu)點(diǎn),，使之成為目前所有聚焦離子束系統(tǒng)的離子源,。液態(tài)金屬離子源是利用液態(tài)金屬在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生場致離子發(fā)射所形成的離子源[1、2]。液態(tài)金屬離子源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示 / r3 q/ F; Y; K1 |4 d0 t6 N
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2 W# |& y v" v% |) i" n" l# Q, ^在源制造過程中,，將直徑0.5mm左右的鎢絲經(jīng)過電化學(xué)腐蝕成尖端直徑只有5－10μm的鎢針,，然后將熔融的液態(tài)金屬粘附在鎢針尖上，在外加強(qiáng)電場后,，液態(tài)金屬在電場力作用下形成一個極小的尖端（泰勒錐）,，液態(tài)尖端的電場強(qiáng)度可高達(dá)1010V/m。在如此高的電場下,，液態(tài)表面的金屬離子以場蒸發(fā)的形式逸出表面,，產(chǎn)生離子束流。由于液態(tài)金屬離子源的發(fā)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(dá)106A/cm2，亮度約為20μA/sr,。 3 J/ \- X' n, m3 v: J
2 聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理 8 }. a% j1 c+ L" ^; R) _, w
聚焦式離子束技術(shù)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(shù),，目前商用FIB系統(tǒng)的粒子束是從液態(tài)金屬離子源中引出。由于鎵元素具有低熔點(diǎn),、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力,，因而液態(tài)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 / \7 D* S+ ~+ c0 ]
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在離子柱頂端外加電場（Suppressor）于液態(tài)金屬離子源,，可使液態(tài)金屬或合金形成細(xì)小尖端,，再加上負(fù)電場（Extractor）牽引尖端的金屬或合金，從而導(dǎo)出離子束,，然后通過靜電透鏡聚焦,，經(jīng)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(zhì)量分析器篩選出所需要的離子種類,，最后通過八極偏轉(zhuǎn)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(chǎn)生的二次電子和離子被收集并成像或利用物理碰撞來實(shí)現(xiàn)切割或研磨,。2 e# H* `" T9 [" h7 _
3 聚焦離子束曝光技術(shù)( t1 x8 u D$ U! |% F& V
3.1 聚焦離子束曝光技術(shù)概述 ; S' [" {1 m2 f1 N: s$ Y$ Q0 c: N
聚焦離子束曝光是一種類似于電子束曝光的技術(shù)，它是在聚焦離子束技術(shù)基礎(chǔ)上將原子離化后形成離子束的能量控制在10～200keV范圍內(nèi),，再對抗蝕劑進(jìn)行曝光，從而獲得微細(xì)線條的圖形,。其曝光機(jī)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(lián)反應(yīng)，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,。8 @: q3 `8 @9 D2 m+ m6 s
聚焦離子束曝光技術(shù)自發(fā)展以來，由于其曝光深度有限以及曝光系統(tǒng)與曝光工藝的復(fù)雜性,，發(fā)展受到了限制,。但在實(shí)驗(yàn)條件下，聚焦離子束仍可作為制作小批量研究性質(zhì)的器件的一種工具,。真正把聚焦離子束認(rèn)真地作為一種大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的曝光工具來開發(fā)是20世紀(jì)90年代后期的聚焦離子束投影曝光技術(shù),。
; o; L+ u- y3 T1 n z) J8 v1 |3.2 聚焦離子束投影曝光技術(shù)
* {+ K. o1 ]# X$ x. T( v8 @5 ?根據(jù)是否有靜電離子投影鏡，聚焦離子束投影曝光技術(shù)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,。 ) i' u6 p9 ^7 L6 U
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(tǒng),、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(chǎn)生曝光圖形,。
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2 e# v" R4 U8 W6 A2 g) P+ O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(tǒng),、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(jīng)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(jìn)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(yīng)力和入射離子造成的發(fā)熱等問題,，為此采取了一系列措施,，如：對掩模進(jìn)行摻雜；對膜增加保護(hù)層,；設(shè)計掩模冷卻系統(tǒng)及通過有限元分析改進(jìn)了掩�,？蚣艿脑O(shè)置，避免氣流對掩模造成振動等,。
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" c2 ]3 N( Q/ s3.3 聚焦離子束投影曝光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 3 s, ~) ]$ T+ m5 K! k
聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制,。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001,，其焦深可達(dá)100μm,，也就是說,，硅片表面任何起伏在100μm之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變,。而光學(xué)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(jié)構(gòu)時其線寬沒有任何變化,。聚焦離子束投影曝光的另一個優(yōu)點(diǎn)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。
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4 結(jié)論 ) B8 k6 ?6 n0 ~
聚焦的離子束在半導(dǎo)體行業(yè)有著重要作用,，可用來切割納米級結(jié)構(gòu),，對光刻技術(shù)中的屏蔽板進(jìn)行修補(bǔ)，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(dǎo)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(shù)及其應(yīng)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(yè)的發(fā)展,，聚焦離子束曝光技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)也必將被提高到新的水平,。 |
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樓主: 機(jī)械神話
發(fā)表于 2008-12-13 14:59:40
樓主
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發(fā)表于 2008-12-21 21:35:22
