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聚焦離子束FIB/ I) @; l. o |& h! \6 ~9 G
& [7 M7 O6 T2 N0 Plasur_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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聚焦離子束曝光技術(shù)
! F2 ], B- y* o6 v% B: x8 y! m& x馬向國1、2，顧文琪1 ; O9 @3 |6 a0 ?" ]5 K* h
（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）2 h+ R' O: K f+ d$ q
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。 4 i% R% o1 I, W4 Z' _# H/ {- l
關(guān)鍵詞：聚焦離子束，液態(tài)金屬離子源，曝光 - [- O5 }& A4 w f- e- T
中圖分類號：TN305.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004－4507（2005）12－0056－03 ' c, [! p' Z7 m. B& J
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)移的效率遠遠高于電子。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)量遠大于電子，離子在抗蝕劑中的散射范圍要遠小于電子，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。
3 r( g9 p& K7 z/ @; s1 b' K1 液態(tài)金屬離子源
: F5 A& U+ a7 D; n# d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 ( \- {/ r1 z% t0 q0 {
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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)尖端的電場強度可高達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106A/cm2，亮度約為20μA/sr。 * ?. j$ i' U: d' u! `: ^) d8 i
2 聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理
, a' f [2 p- j' c6 x$ h1 f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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0 f2 B4 _, v" f8 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)金屬或合金形成細小尖端，再加上負電場（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。
\, K( l( w8 j V3 聚焦離子束曝光技術(shù)
d4 M0 v, \% _- q% j3.1 聚焦離子束曝光技術(shù)概述
^8 v( X2 w1 r3 E" S* P8 q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)，再對抗蝕劑進行曝光，從而獲得微細線條的圖形。其曝光機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。3 j+ I( s8 Y, y1 t& a/ t
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90年代后期的聚焦離子束投影曝光技術(shù)。 ) X4 [! \5 t( P
3.2 聚焦離子束投影曝光技術(shù) : D$ Z1 W6 z y6 p% k
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。
' F+ Z+ F% c7 j; d0 A1 ?4 S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。 A& f! Q X; f1 H0 I
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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：對掩模進行摻雜；對膜增加保護層；設(shè)計掩模冷卻系統(tǒng)及通過有限元分析改進了掩模框架的設(shè)置，避免氣流對掩模造成振動等。
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* |( R2 R# w; A6 k2 [$ q3.3 聚焦離子束投影曝光技術(shù)的優(yōu)點 & _, t* U2 ]7 t) _/ 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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) l7 J! s3 e' L% F( u$ N" q- v4 結(jié)論
+ t0 p% S o1 V4 ^) w3 w5 v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)中的屏蔽板進行修補，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: 機械神話
發(fā)表于 2008-12-13 14:59:40
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發(fā)表于 2008-12-21 21:35:22
