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聚焦離子束FIB: T. g0 G; [ |, G J' _. i$ [
% \: L n: q" qlasur_job 發(fā)表于: 2006-12-31 09:43 來(lái)源: 半導(dǎo)體技術(shù)天地
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聚焦離子束曝光技術(shù)- M- }% I4 d' D! y
馬向國(guó)1,、2,，顧文琪1
4 z0 `; I9 \: ]) o" \" U7 _4 ]（1,、中國(guó)科學(xué)院電工研究所,，北京100080,；2,、中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京100039）; w: r' H7 C: {; q) K
摘要：聚焦離子束技術(shù)是一種集形貌觀測(cè)、定位制樣,、成份分析,、薄膜淀積和無(wú)掩模刻蝕各過(guò)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(duì)聚焦離子束曝光技術(shù)作了介紹。 / H8 ?# u4 Q( l
關(guān)鍵詞：聚焦離子束,，液態(tài)金屬離子源,，曝光
- t1 J# z0 p9 g: y& i' X7 W4 ^- }; L$ }中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004－4507（2005）12－0056－03
3 T+ H2 O7 d* \7 S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(duì)離子的靈敏度要比對(duì)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(méi)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](méi)有背散射效應(yīng),。本文首先對(duì)聚焦離子束系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單介紹，然后介紹了聚焦離子束曝光技術(shù)及其應(yīng)用,。 ( `& w' k% j+ f4 n; c* O
1 液態(tài)金屬離子源
6 m& w4 ?* n+ ]' V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(chǎng)作用下產(chǎn)生場(chǎng)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 ! [& ]4 t" l* q' p" a
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) r% p( P$ X" d1 v5 W8 r在源制造過(guò)程中，將直徑0.5mm左右的鎢絲經(jīng)過(guò)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(chǎng)后，液態(tài)金屬在電場(chǎng)力作用下形成一個(gè)極小的尖端（泰勒錐）,，液態(tài)尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)1010V/m,。在如此高的電場(chǎng)下，液態(tài)表面的金屬離子以場(chǎng)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,。 ' A8 g$ T& D. _% Q( X
2 聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理 / R9 b F3 R6 z8 t7 D( q- |
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,。 4 ^5 g( y% m% W3 ?
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]6 R/ A, I* B在離子柱頂端外加電場(chǎng)（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(chǎng)（Extractor）牽引尖端的金屬或合金,，從而導(dǎo)出離子束,，然后通過(guò)靜電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)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(lèi)，最后通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)切割或研磨,。# Z5 K" x0 G' v4 H2 z5 \
3 聚焦離子束曝光技術(shù)
) ~3 Z, D" }; t7 S" R1 m3.1 聚焦離子束曝光技術(shù)概述 * x; t+ ^9 y( r5 b( h9 G
聚焦離子束曝光是一種類(lèi)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(duì)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(guò)顯影，獲得溶與非溶的對(duì)比圖形,。
8 N( Y: `# o G8 h8 N聚焦離子束曝光技術(shù)自發(fā)展以來(lái),，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(lái)開(kāi)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),。 - R* X* g1 r& F$ d- a/ U
3.2 聚焦離子束投影曝光技術(shù)
6 D+ k, w _- V9 T6 |5 G! b$ w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(lèi),。 G5 L# }- q g2 _
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(tái)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(tái)上,，象拍照一樣一次性產(chǎn)生曝光圖形。
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+ s/ e5 p+ \9 I$ @/ K' l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(tái)等,。它是在掩模和工件間加一個(gè)靜電離子束投影鏡，使經(jīng)過(guò)掩模的圖像按比例縮小到工件臺(tái)上,，從而使曝光圖形的線寬得到進(jìn)一步的縮小,，同時(shí)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(wèn)題,，為此采取了一系列措施，如：對(duì)掩模進(jìn)行摻雜,；對(duì)膜增加保護(hù)層,；設(shè)計(jì)掩模冷卻系統(tǒng)及通過(guò)有限元分析改進(jìn)了掩模框架的設(shè)置,，避免氣流對(duì)掩模造成振動(dòng)等,。
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3.3 聚焦離子束投影曝光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
- a1 V4 W! |; k& {6 v2 s/ D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(méi)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(shuō),，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(shí)其線寬沒(méi)有任何變化。聚焦離子束投影曝光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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 / _$ O1 Y% Z% g/ k- v
聚焦的離子束在半導(dǎo)體行業(yè)有著重要作用，可用來(lái)切割納米級(jí)結(jié)構(gòu),，對(duì)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(gè)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(guó)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(jī)。我們相信,，隨著我國(guó)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
