微米纳米技术中的聚焦离子束系统

微米纳米技术中的聚焦离子束系统

离子是一种导电材料，可在磁体的作用下聚焦激励，加速或减速，并以不同的能量偏差。这是因为它具有材料改性、精细加工、半导件厂和失败分析等特点。随着微细加工向亚微米和纳米方向的发展,科研人员希望离子束能聚焦到微米和纳米量级,而且可以通过偏转系统实现无掩膜加工工艺,这就是早期的聚焦离子束技术(FocusedIonBeam,FIB)。聚焦离子束技术(FIB)在20世纪七八十年代得到了蓬勃发展,特别是到80年代末期,聚焦离子束技术基本成熟。90年代中期,聚焦离子束技术在各个方面得到应用,如微米/纳米尺度上的沉积、刻蚀、离子注入、扫描成像、无掩膜光刻和微机械系统加工(MEMS)以及微米/纳米三维微结构直接成型等。后来科研工作者又将聚焦离子束系统和飞行时间二次离子质谱仪联机使用(FIB-TOF-SIMS),与扫描电子显微镜联机使用(FIB-SEM),使聚焦离子束技术在微米/纳米加工和检测分析中大显身手,进一步拓展了聚焦离子束技术的应用范围。与其它传统的微技工技术相比,它具有更高的图形分辨率、可以加工更细小的微结构、能进行无掩膜加工、对不同材料的适应性强等特点。本文主要介绍了聚焦离子束系统的基本原理、组成及其在微米/纳米加工和分析中的基本应用。1echambe系统聚焦离子束系统(FIB)主要包括离子柱(Ioncolumn)、样品室(Samplechamber)、真空系统(Vacuumsystem)、气体注入系统(Gasinsertsystem)、扫描成像系统(Scanimagingsystem)、操作台(Workstation)等。聚集离子束系统的简单系统结构如图1所示。1.1金属离子源分析离子柱是整个聚焦离子束系统(FIB)的核心,其结构类似于扫描电镜,只是在聚焦离子束系统中用的是镓离子(Ga+),而在扫描电镜中带电粒子是电子。离子柱中的液态金属离子源(LMIS)是一个半顶角约为49°的金属圆锥体。当在金属离子源上施加一个很强的电场时,电子通过隧道穿透效应穿过势垒,继而产生许多带正电荷的离子,通过抽取电极和聚焦系统就形成了可用的离子束。离子束控制系统对离子束进行限束(对离子束的束径进行调整)、消隐(使偏离入孔方向的离子被周围的法拉第杯吸收掉,以防这些离子对样品的刻蚀)、聚焦和偏转(控制离子束的位置,使离子束穿过限束孔的中心)后进入样品室。1.2样品室样品室内最主要的是样品台,它有5种移动形式:X、Y、Z方向的平动、转动和倾斜。这种设计特别有利于对样品不同位置的处理和监测。1.3气体注射的量气体注入系统主要是在进行离子束辅助沉积和增强刻蚀时向样品表面注射特定的气体。一般在样品室内装有多个注入喷嘴,而且可以单独对其位置和注入气体的种类进行控制以满足不同加工工艺的需要。1.4离子束加工的表面形貌离子束作用在样品上,样品受到离子束的激发,从样品发出的二次信号被收集、放大即可在显示器上形成样品表面形貌的二次电子像。由于离子束的束径小(5~7nm),能量较高(几十千电子伏),会对样品表面造成一定程度的损伤。所以,近年来采用双系统,即把聚焦离子束系统和扫描电子显微镜组合起来,用电子束成像,不但提高了成像质量,而且减少了对样品的损伤。1.5操作台操作台主要用于样品的加载、操纵样品室内的样品台、通过软件控制泵抽系统的开启和修改离子束的各种参数等。2电子和原子当荷能粒子作用在固体材料的表面时会与材料中电子和原子发生作用,并将部分能量传递给样品材料中的电子和原子,由此产生一系列的物理、化学现象,如材料中原子的离化、溅射、电子发射、光子发射和化学键的断裂、分子的离解等。正是由于可产生这些物理和化学现象,才决定了聚焦离子束系统在微米/纳米加工中可实现多种功能。2.1透射电镜制约聚焦离子束系统中用作离子源的金属元素(如镓)的原子量一般较大,当荷能离子束轰击样品时,其能量会传递给样品中的原子(分子)而发生溅射效应。用合适的离子束束流,可以对不同的材料实施高速微区刻蚀,若再配以离子束扫描,则可以在样品材料上刻蚀出不同的图形。这一特点的典型应用就是电路板失效检测、三维纳米结构加工和透射电镜制样(TEMsamplepreparation)。特别是在透射电镜制样中,为了使电子能穿越样品,在制备样品时要求其厚度非常薄,通常小于100nm。传统的方法是研磨或离子束减薄,这样会使样品制备的周期长,通常会因为过度剥离而导致制样失败,成功率低。采用聚焦离子束技术为透射电镜制样,定位精度高,可以通过电子束成像实时监测,省时省力,而且成功率高。最近有些聚焦离子束系统的生产厂家已经开发出了配套的透射电镜样品自动制样控制软件,进一步方便了使用。此外,聚焦离子束技术在微传感器等的直接刻蚀成型方面也大有发展前景,如微机械系统(MEMS)零部件的制备和有机生物样品的切割以及高精密扫描探针显微镜(SPM)的探针加工等。TimothyM.Miller等将脉冲激光气相沉积技术(PLD)和聚焦离子束刻蚀技术结合起来,在20~100mm范围内,在ITO(indium-tin-oxide)薄膜上成功地制备出薄膜应力传感器,聚焦离子束系统是主要的成型工具。2.2气体增强刻蚀为了提高离子束刻蚀的速率和离子束刻蚀对不同材料的选择性,通常在刻蚀过程中用气体注入系统(GIS)加入一定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其基本原理就是用高能离子束将不活泼的辅助刻蚀气体分子(如卤化物气体)变成活性原子、离子和自由基,这些活性基团与样品材料发生化学反应生成挥发性物质,脱离样品后被真空系统抽走,从而实现快速刻蚀。该技术的最大特点是可以大幅度提高刻蚀速率、刻蚀对材料的选择性和图形侧壁的垂直性等。表1是气体增强反应离子束刻蚀对不同材料的增强刻蚀因子。J.Taniguch等用聚焦离子束系统(FIB)的离子束辅助刻蚀技术成功制备了单晶金刚石场发射针尖,聚焦离子束辅助刻蚀技术对减小单晶金刚石场发射针尖的发射区域非常重要。N.A.Paraire采用聚焦离子束刻蚀多层膜的方法加工出了二维光子晶体,图2示出了二维光子晶体在同一区域的SEM像。M.Yoshida用聚焦离子束技术在金属薄膜上刻蚀出线宽几十纳米的沟槽。这种直接微加工技术在人工制备单电子器件、巨磁阻器件等领域非常重要。2.3纳米微结构的制备高能离子束诱导沉积金属膜和介质膜(如Pt、W、SiO2等)的基本原理就是将一些金属有机物气体通过气体注入系统喷涂在样品上需要沉积薄膜的区域,当聚焦离子束的高能离子作用在该区域时就会使有机物发生分解,分解后的固体物质被沉积下来。当离子束按一定的图形扫描时,即可形成特定的三维微结构图形,这一特点已在微机械系统的加工中得到应用。将聚焦离子束沉积和刻蚀技术结合起来,在微米/纳米三维结构的加工和修复中具有重要应用。比如大规模集成电路的曝光掩膜版制作工艺复杂,周期长,成本高,对修复其中的缺陷是必要的。可利用聚焦离子束技术的沉积和刻蚀技术在曝光掩膜版上淀积必要的部分和去除多余的部分。YongQiFu等结合利用聚焦离子束技术的刻蚀和溅射功能,加工成型了9×9微透镜阵列,单个透镜的直径为60μm;J.Fujita利用聚焦离子束辅助化学气相沉积技术(FIB-CVD)精确制备出了微米量级的三维立体结构,如酒杯、线圈等,如图3所示。这些成果充分体现了聚焦离子束技术在微加工领域中的高精度和高分辨率的特点。2.4提高分辨率成像聚焦离子束的束斑分辨率可达5~7nm,当离子束在样品表面扫描时可产生二次电子和二次离子,收集这些信号就可完成高分辨率成像。特别是对于绝缘体,由于二次电子产额很低,如果用聚焦离子束进行二次离子成像,即可避免用扫描电镜成像时在样品上喷涂导电层的工序。2.5金属离子检测离子注入是利用聚焦离子束系统(FIB)中离子能量较高的特点(数万电子伏以上),将离子注入基底并与基底材料合成所需的化合物。比如,利用合金液态金属离子源(如AuSiBe-LMIS、CoNe-LMIS)聚焦离子束系统(配有质量分析器)可以选择不同的离子注入(如Au、Si、B、As、Ga、In等离子)同一样品,从而在一定范围内形成特定的掺杂或具有特定物化性质的薄膜。与传统工艺相比,其分辨率高,无需掩膜,从而简化了工艺,使无掩膜纳米级工艺生产变为可能,而且这种微区掺杂是其它技术不易实现的。2.6离子束曝光方式聚焦离子束曝光与其它曝光方式相比,具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性的特点,且无需掩膜。这是由于离子质量大,在抗蚀剂中射程小、能量淀积高、散射角小、邻近效应小、曝光时间短。但是由于离子束的偏转、消隐以及散射离子的噪声效应,很难在大面积曝光上应用,所以目前主要用于其它曝光方式无法或难以实现的部分曝光以及实验室中微区纳米结构加工过程中的曝光,如微区纳米场致发射阵列的制备等。另外,离子束的剂量、能量、束斑直径(几微米~10nm)可以调节,能满足在同一材料上加工不同线宽、不同尺度图形的要求,与其它工艺相比,工序大为简化。例如,在加工金属-氧化物-半导体场效应管中,用聚焦离子束曝光(剂量1.0×1013cm-2),得到了100nm的硅栅极。2.7扫描电镜fe-sem组合由于聚焦离子束系统的离子束分辨率极高(5~7nm左右),可以进行样品特定范围内的微区分析。结合飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS),将高质量分辨率和高空间分辨率的特点相结合,可以在极小的范围内获得样品表面和深层成分分布的信息,这是材料分析中有力的手段之一。聚焦离子束(FIB)与场发射扫描电镜(FE-SEM)组合在一起的双束系统同时具备了两种设备的优势。单独的聚焦离子束系统(FIB)在完成大束流微加工和小束流观察形貌的过程中要不停地变换束流强度,既影响了束流强度的稳定性,又延长了加工时间。在双束系统中采用电子束成像,不但提高了成像质量,减小了对样品的损伤,而且缩短了加工时间,避免了对离子束稳定性的影响。比如,BunbunoshinTomiyasu将聚焦离子束系统与二次离子质谱仪结合起来(FIB-SIMS)进行三维图形形貌分析,其横向分辨率达50nm,纵向分辨率达5nm。EhrenfriedZschech用聚焦离子束与扫描电镜组合(FIB-SEM)为透射电镜(TEM)制样,成功地分析了集成电路中铜连线的失效问题,如图4所示。3微加工与聚焦离子束加工的比较聚焦离子束系统是微加工领域中的有力工具之一,对材料几乎无选择性,分辨率很高(可以达到数个纳米量级),且可实现无掩膜加工。对上述聚焦离子束系统在微米/纳米加工和分析中的主要功能和用途列于表2。与其它常用的微加工和成型技术相比较,聚焦离子束技术有定位精确、分辨率高的特点,但加工的速率相对来讲要慢得多。表3是聚焦离子束技术与其它一些常用微加工技术的一些典型性能参数对比。液态金属离子源聚焦离子束系统