聚焦离子束技术的研究进展

聚焦离子束技术的研究进展

菲比（coinbeam）技术是利用静电透镜将离子束聚焦至尺寸小的微加工技术。聚焦离子束（FIB）在电场作用下可被加速或减速，以任何能量与靶材发生作用，并且在固体中有很好的直进性。离子具有元素性质，因此FIB与物质相互作用时能产生许多可被利用的效应，所以FIB被广泛应用在离子束曝光、注入、刻蚀、沉积、镀膜、抛光、钻孔和研磨等领域。本文就目前深入研究并将被广泛应用的聚焦离子束技术作一详尽的介绍。1离子分离系统和样品台聚焦离子束系统大体上可以分为三个主要部分：离子源、离子束聚焦/扫描系统(包括离子分离部分)和样品台。离子源位于整个系统的顶端，离子经过高压抽取、加速并通过位于离子柱腔体内的静电透镜、四极偏转透镜以及八极偏转透镜，形成很小的离子束斑可达到5纳米，轰击位于样品台上的样品。1.1在资源整合中的应用FIB系统大多采用液态金属离子D9(LMIS)，还有一部分系统采用气体场离子(GFIS)。可以用作液态离子源(LMIS)的金属需满足以下条件：该液态金属可以润湿离子源针尖，并且对该针尖无腐蚀作用；熔融状态下有较低的蒸汽压。比较常用的LMIS可分为两种：单元素离子源和合金离子源。前者主要有：嫁离子、金离子、艳离子等。其中，将稼离子作为离子源的系统比较普遍。1.2聚焦系统的复杂聚焦离子束系统的离子束聚焦/扫描部分一般由双电磁透镜系统和一系列偏转电极构成。由于FIB系统所采用的离子较重(如惊离子的原子量为64.7乃），使其更难被聚焦，所以与电子聚焦系统相比，离子束聚焦系统要复杂得多。FIB系统的分辨率主要由离子束到达样品表面的束斑大小决定。离子束斑直径受到以下因素的影响：金属离子源在针尖上的大小、由于各个离子能量细微差别而引起的色差、由于透镜系统不共轴而引起的球差等。同时，离子束流大小也会对该束斑直径产生重要影响，束流越大，最小束斑就越大。为了使离子束在样品表面实现扫描功能，在FIB系统中配备了扫描线圈，使离子束在样品表面实现行、帧扫描。1.3x.y.z.b研磨焦面系统经过聚焦的高能离子束需与样品作用才会实现各种功能，样品则放在样品台上。样品台可以在X.Y.Z.B,p五个自由度精确调节，并配有恒定焦面控制系统以保证样品在经过平移或转动后仍处于聚焦系统的焦平面上。现以FEIFIB200XP为例，介绍聚焦离子束系统的主要技术参数2离子绝波与固体样品的作用机制2.1入射离子扰动表面及近表层的原子、分子和原子团以中性、受激态或离子的形式发射出来，这一区域一般涉及到两三个原子层的深度，叫做发射区。一般来说，溅射粒子质量越大其逸出深度越浅，溅射粒子能量越大，逸出深度越深。入射离子注入及表面原子反弹注入，它们穿入表面下层的深度叫注入区，注入区深度与入射能量、入射角度及入射离子种类和表面状况都是有关的。在入射离子的撞击下，固体表层晶格受到扰动，产生一些缺陷及原子错位，叫做辐射损伤。这种现象波及的区域比注入区更深些，叫做晶格波及区。如果在固体表面喷附有辅助气体分子，则可以实现增强刻蚀和薄膜淀积。2.2聚焦离子诱导的表面检测技术从表面逸出的各种粒子来自不同的物理过程，带有丰富的表面信息。比较重要的有以下几种：(1）散射离子：是在表面或表层弹性散射或非弹性散射的入射离子，它的能量分布和角分布反映了表面原子的信息。(2）二次离子：从表面溅射出的离子中，有一部分是以正负离子的形式出现的，它们来自固体表面，对它们的能量和质量进行分析，可以直接得到表面组分的信息。(3）电子：发射的电子可能来自表面，也可能来自比较深层。如果入射离子在表面发生中和，则可产生电子发射，但在表面下层是固体原子受激或电离时，也会有电子放出，这些电子都带有表面的信息。(4)X射线及光发射：可能来自表面及表层，各种退激发及离子中性化过程都可以导致光发射。离子诱导产生的光发射常常带有表面化学成分及化学态的信息利用高能离子束与固体样品相互作用的机理和产生的效应。FIB技术的基本功能可以归纳为：刻蚀或增强刻蚀；淀积导电膜或绝缘膜；SIM成象；离子注入等。3菲比的功能和应用3.1物理累刻的影响利用高能离子束对样品的溅射效应，FIB可以非常精确地(分辨率小于0.1微米)对样品特定微区进行刻蚀，刻蚀形状由离子束的扫描范围决定，刻蚀深度由FIB的加速电压、束流大小和刻蚀时间等参数决定，且刻蚀的整个过程无需掩模和光刻。但是，此种纯物理溅射也有缺点：在刻蚀过程中，由于被溅射物质往往是不挥发的，容易产生再淀积现象，从而降低刻蚀效率并阻止进一步刻蚀；当被刻蚀的物质是导体时会引起漏电或短路现象。在FIB系统中引入气体注入系统(GIS)可以克服上述缺点，在刻蚀过程中，它将反应气体(如Cl3.2高能离子束淀积过程原理除了利用反应气体进行增强刻蚀外，它的另外一个应用就是用来在特定区域淀积金属或介质薄膜，其机理与反应刻蚀相似，都是在高能离子束的作用下所进行的化学反应，只是所采用的反应气体不同。淀积过程就是高能离子束使吸附在样品表面的单层反应气体分子分解成易挥发部分和不易挥发部分，前者被真空泵抽走，后者则在FIB轰击区域形成薄膜淀积。常用于薄膜淀积的辅助气体有：用C9H6Pt气体淀积Pt膜，用TEOS气体淀积SiO3.3扫描离子显微成象利用高能离子束扫描并轰击样品表面，会使样品表面散射出二次离子和二次电子。如配置相应的探测器将不同微区、不同材料所发出的带电粒子收集并计数，再经过放大处理，可以形成样品的高清晰度、高分辨率的图象。SIM在聚焦离子束技术中具有重要的作用，FIB的其它所有功能和应用都需要在扫描离子显微镜所呈的图象下进行。当然，由于离子束较难聚焦，与扫描电子显微镜(SEM)相比，SIM的空间分辨率要差一些，但是，随着FIB技术的成熟，离子束宽已经缩小了很多(从最初的3微米减小到近期的5纳米-10纳米)，这个不足己经得到很好的弥补。3.4无蔽模离子注入正如上面提到的，FIB技术利用不同离子源，特别是利用合金离子源，可以向半导体器件特定微区进行无掩模离子注入。该技术利用FIB高空间分辨率的优势，在器件的特定微区以不同离子种类和剂量进行注入，可以改进器件性能。3.5x-ct成像模式它不仅可以修补普通的光学工元掩模，而且还可以修补x射线掩模及先进的光学移相掩模。FIB修补的主要优点在于其工艺具有很高的空间分辨率(可以低于25nm)，并且可以修补包括相位缺陷在内的各类缺陷。3.6微区结构的发展利用FIB技术的刻蚀及淀积功能可以对失效或需要改进的集成电路进行修改，达到显著缩短设计和生产周期的目的。例如，可以断开电路之间一些不应有的连接，或者可以形成电路之间的纳米连接，连接的线宽仅为几十纳米，而线长可达几十微米。