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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
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3 O; A. i! O% i( y: o' J N$ R3 K聚焦離子束曝光技術(shù)
! J9 u" U2 X6 Y, r& P# T$ S馬向國1、2，顧文琪1 3 z6 B( G# l& Y# t9 I; h8 h5 V
（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）) T+ e" P: ^" d7 f
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,。 % g6 B6 A8 |. z& ^8 U: _
關(guān)鍵詞：聚焦離子束,，液態(tài)金屬離子源，曝光 8 o* G# A# D& U
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
4 M& l0 v* I% z3 j$ z4 {1 a+ K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(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,。 & J& w! s% J( c" G6 f, D0 O6 f3 B
1 液態(tài)金屬離子源 * t' L v& X7 u$ A) O
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，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 + s H' B3 E% \* D. U# F
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5 q5 i7 N3 Y5 F! r1 Y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。
) X8 N {+ C" E+ @4 X, M& |* M& H6 \2 聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理
! H; g9 o; t( j$ F8 q' _0 b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、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,。
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3 ]% _ h1 T9 c4 d3 E K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現(xiàn)切割或研磨,。& ]4 }2 M* a F2 P) d4 t6 V
3 聚焦離子束曝光技術(shù)
6 c# ?* L: w- S( r9 {0 s1 F3.1 聚焦離子束曝光技術(shù)概述 7 U1 n' f$ ~4 Q: G {9 T+ `7 z) c
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。( i _ j) Q0 u2 Q
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。但在實驗條件下,，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)。 + Z: b) a: o" O$ H: A7 Z2 u
3.2 聚焦離子束投影曝光技術(shù)
0 A! J- j" x/ B) O* p+ c7 o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,。 / k2 ?$ Q; z3 a A" {( o
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,。 ( W% {. R: ?2 S: v/ U1 W8 B5 ~( J2 g
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. o5 g: W& |5 M7 L& P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。' I5 A! H) W6 T/ X7 b& ^* s6 ~
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9 ]0 h2 I `: D& S3.3 聚焦離子束投影曝光技術(shù)的優(yōu)點
* p5 i0 u+ ]& E# Z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
; e* h) ^' ~9 }' d9 `; p% [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
發(fā)表于 2008-12-21 21:35:22
