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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(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)
6 | W! T ]0 J5 b* m- ~, R馬向國(guó)1、2，顧文琪1
6 p! w$ u3 x" u% E/ |2 K! w（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）
, ?7 x. ]: \: Q, @8 f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。 9 r9 ]9 ]9 q2 q `& S
關(guān)鍵詞：聚焦離子束，液態(tài)金屬離子源，曝光 r6 K5 Y" u; ^$ y, p ~
中圖分類號(hào)：TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004－4507（2005）12－0056－03 ! m1 H" ], ^5 w& Z/ i( N
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(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。 5 b1 ~+ ~5 @) B7 N
1 液態(tài)金屬離子源 , _! g& ]: @& k) m& O2 x# a
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 ! y0 s) Q% u0 {2 D/ n+ ~; z
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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(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。
6 u# |+ L8 K& [, Q H2 聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理 8 ^( M* n& P+ ]) b0 X$ m# y( Z
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。 3 Z5 i1 {' E! D* J" U Q2 C
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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(lái)實(shí)現(xiàn)切割或研磨。
+ c6 W8 d) o: o3 聚焦離子束曝光技術(shù)5 m( ^2 C" X3 M) h }3 @" L+ e
3.1 聚焦離子束曝光技術(shù)概述 % O% o$ f1 B& v6 i
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(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，再通過顯影，獲得溶與非溶的對(duì)比圖形。
+ H! u7 M# {3 j' c8 _5 U, r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)。
" W" x# |" Q. u1 G3 w3.2 聚焦離子束投影曝光技術(shù) ) p) t3 j) l8 b8 ~* `2 t) P {
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。
: [6 a, g2 o5 ?. J. J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。 2 n5 v+ O4 E% Z( \
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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(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。: B$ N4 b: Y3 `
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- W' q( @0 z/ ^* t+ P( K( l3.3 聚焦離子束投影曝光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
. E" `( @$ y2 w6 u2 w' C0 v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(shí)其線寬沒有任何變化。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。 $ w' s9 Y& P& P2 t( q
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) R( O, ?+ U9 j/ n* `6 g4 Z, T1 _4 結(jié)論
) F5 f5 h! C0 K9 `# X% L/ g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
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發(fā)表于 2008-12-21 21:35:22
