聚焦离子束微纳加工技术

离子光学柱
束描画系统
X-Y工件台
信号采集处理单元 信号采集处理单元
5~10μ m
+M1 +M2
槽深2μ m
+M3
+M4 套刻对准用的“十”字标记
100~200μ m
FIB扫描标记的脉冲波形
FIB扫描标记的二次电子标记图像
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
+ 入射离子背散射 +
二次电子发射
二次离子发射 X射线发射 光子发射
The Technology Of Focused Ion Beam (FIB)
——聚焦离子束微纳加工技术
邢卓
学号：2013202020072
指导老师：任峰
集成电路制造中的三束技术
电子束技术
具有极高的分辨率，可制作最细线宽5~8nm的图形， 不能用于器件的批量生产，主要应用在掩膜的制造 和器件的直接光刻方面。 主要包括紫外光刻(0.5~0.8μ m器件)、准分子激光 光刻（0.18~0.13μ m器件)、极紫外光刻 (35~65nm器件)、激光图形发射器(0.2μ m线宽)和 X射线光刻(90nm器件)等。 主要应用在：离子束刻蚀、离子束沉积、离子束诱 导沉积、离子束注入、离子束曝光和离子束材料改 性等方面。
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 • 入射离子在与固体材料中 的原子发生碰撞时，将能 量传递给固体材料中的原 子，如果传递的能量足以 使原子从固体材料表面分 离出去，该原子就被弹射 出材料表面，形成中性原 子溅射，溅射过程可以认 为是大规模离子“瀑布” 碰撞产生的。被溅射出来 的不仅是单个原子，还有 分子、分子碎片或分子团 光子发射 材料溅射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 二次电子发射 光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
• 入射离子轰击固体材料表 面，与表面层的原子发生 非弹性碰撞，入射离子的 一部分能量转移到被撞原 子上，产生二次电子。
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
FIB溅射刻蚀加工
FIB诱导沉积应用
+
离子束曝光
扫描离子显微镜和二次 离子质谱仪
聚焦离子束的应用
FIB无掩模离子注入
• 表征溅射过程的重要参数：溅射产额、溅射粒子 角度分布、溅射粒子能谱分布等。 • 影响产额的主要因素——线型碰撞级联模型： 入射离子的能量是通过级联碰撞传递给靶材原子的， 即入射离子与靶材原子发生初级碰撞，撞出反冲原 子，反冲原子灰继续与靶材中的静态原子再碰撞， 再产生反冲原子。 产额主要影响因素： 1.入射离子能量 2.离子束入射角 3.入射离子和靶材料的元素 特性 4.离子束加工参数 5.所加工图形尺寸和分布
离子光学柱
束描画系统
X-Y X-Y 工件台 工件台
信号采集处理单元
聚焦离子束系统
离子源 • 对大部分双束FIB而言，扫描电子束和聚焦离 子束都能形成二次电子像。但前者成像较清 晰，后者成像对比度更优。 • 聚焦离子束加工中是利用电子束曝光中常用 的“十”字检测标记凹槽，台阶处的二次电 子远比平面上逸出多的原理来进行对准操作。 • 聚焦离子束在扫描标记成像时会腐蚀标记， 在电子束曝光系统上是不存在的。标记的腐 蚀会影响后续图形加工的套刻对准精度。
光子束技术
离子束技术
聚焦离子束vs.常规离子束
常规离子 束技术 聚焦离子 束技术 由定向或不定向的离子流对工件表面的面状轰击来达到加工 目的的，轰击面直径可以从几毫米到几十厘米，在需要形成 图形结构的场合，常规离子束技术必须采用掩膜。 由聚焦状态的离子探针对加工表面的点状轰击来达到加工目 的的，轰击面的直径在纳米量级或微米量级。在需要形成图 形结构的场合，必须由计算机控制束扫描器和束闸来实现
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 二次光子发射 光子发射 材料溅射
• 入射离子轰击固体材料表 面，与表面层的原子发生 非弹性碰撞，入射离子的 一部分能量转移到被撞原 子上，材料中的原子被激 发，产生X射线，同时电 离产生可见光、紫外光、 红外光等。
辐射损伤 化学变化 材料加热
离子光学柱
束描画系统 束描画系统
X-Y工件台
信号采集处理单元
聚焦离子束系统
离子源 X-Y工件台作用：承载需要加工的镜片；移动 镜片实现扫描场的图形拼接；移动晶片实现 整个晶片上的图形描画；进行标记检测，实 现多层图形对准套刻；利用激光波长对图形 尺寸进行校正。 • 五自由度手动工件台 灵活方便，价格低廉，实验室用。 • X-Y电机驱动工件台 灵活方便，价格低廉，便于自动控制，实 验室用。 • 激光定位精密工件台 精度高，能进行图形拼接和多层图形套刻， 能够进行大面积图形加工。
FIB溅射刻蚀加工
FIB 诱导沉积应用 FIB 诱导沉积应用
离子束曝光
扫描离子显微镜和二次 离子质谱仪
聚焦离子束的应用
FIB无掩模离子注入
• 离子束具有能使某些高分子有机物发生交联或降 解反应的功能，可用于抗蚀剂曝光。离子束曝光 有三种方法：扫描离子束曝光、掩模离子束曝光 和投影离子束曝光。 • 离子束曝光的优点： 1.高图形分辨率 2.曝光速度快 3.无临近效应 4.良好的曝光宽容度 5.可实现无抗蚀剂直接曝光 • 离子束曝光的缺点： 1.对衬底材料有损伤 2.曝光速度有限制
聚焦离子束的应用
FIB 无掩模离子注入 FIB无掩模离子注入
• 聚焦离子束在计算机的控制下，是注入杂质以一 定的空间分布注入晶片材料表面；然后退火，是 注入原子与半导体晶格原子具有不同的价电位， 电荷载流子就产生了。 • FIB注入无需掩模，通过调整束驻留时间和束能 量，就可以改变注入杂质浓度、注入深度和注入 范围，从而得到横向掺杂梯度变化的器件，即能 在同一晶片上得到不同性能的器件。 • FIB离子注入的缺点： 1.生产率低，难于进入集成 电路生产。 2.注入离子源通常为合金源， 工作稳定性较差。 3.系统结构复杂，工艺和操 作较常规离子注入要难。
辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 光子发射 材料溅射
• 入射离子把能量和动量传 递给固体表面或表层原子， 使后者进入表层或表层深 处。例如，通过惰性气体 离子对表面或表层的轰击， 使表面待掺杂原子进入深 层材料内，实现原子混合 注入。
• 由于入射离子与固体材料 中的原子核和电子的作用， 造成材料组分变化或化学 键变化。例如，感光胶在 离子轰击后发生断键或交 联，使感光胶易于或难于 溶解在显影液中，离子束 曝光就是利用了这种化学 变化。
辐射损伤 化学变化 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反弹注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 • 具有高能量的离子轰击固 体表面是材料加热，热量 自离子入射点向周围扩散 光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热 材料加热
离子光学柱 离子光学柱
束描画系统
X-Y工件台
信号采集处理单元
N
E×B 离子质量分析器工作原理
聚焦离子束系统
离子源
束描画系统由图形发生器、束偏转器和束闸 组成。
• 图形发生器的功能是编制要制作的图形或接 受用户的图形数据，形成FIB系统能识别的图 形数据；根据图形加工要求对图形数据晶型 处理和编制图形加工过程；控制束偏转器、 束闸和X-Y工件台进行图形加工。 • 束偏转器有静电偏转器和磁偏转器。其主要 作用是使离子束发生小角度偏转。 • 束闸通常是通过偏转离子束使其偏离安装在 交叉斑附近的束闸光阑，达到截止离子束的 目的。
FIB FIB 溅射刻蚀加工 溅射刻蚀加工
FIB诱导沉积应用
离子束曝光
+
扫描离子显微镜和二次 离子质谱仪
聚焦离子束的应用
FIB无掩模离子注入
• 在FIB入射区通入的气体叫诱导气体，根据要求 沉积的材料的不同应选择不同的诱导气体。通入 的诱导气体通常以单分子层的形式吸附在固体材 料表面，入射离子束的轰击致使吸附气体分子分 解，将金属材料留在固体表面。入射离子束此时 也会溅射新沉积的金属材料，但如果沉积速度高 于溅射速度，净沉积就会产生。 • FIB诱导沉积产额： 1.热针模型：认为离子束入射点在瞬间存在几千度 高温，热量从入射点以半球 形或圆柱状向空间扩散，高 + 温使吸附的分子分解。 2.二元碰撞模型：利用电脑 程序模拟级联碰撞过程，测 算溅射原子总量和表面层被 激发原子按能量不同的分布 然后分析诱导分子分解概率。
• 常规离子束加工用离子源
• • • • • •
1.热阴极大电流离子源 2.冷阴极放电离子源 3.高频放电离子源 4.双等离子体离子源 5.微波阴极离子源 6.电子束激励离子源
• 聚焦离子束加工用离子源
•
1.双等离子体离子源 2.气体场发射离子源 3.液态金属离子源
•
•
离子源 引出极 聚焦透镜
质量分析器
束闸 注入系统 电子检测 移动控制 真空系统 计算机控制 系统
束对中
物镜 X-Y偏转器 气体注入口 X-Y工件台
真空泵
聚焦离子束系统
•
双束单光柱FIB-SEM
双束双光柱FIB-SEM
聚焦离子束系统
离子源 离子源
衡量标准：1.亮度 2.虚拟源尺寸 3.能散 4.工 作稳定性
• 双等离子体离子源 亮度约为10A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 50μ m，广泛应用于微细加工领域。 • 液态金属离子源 亮度高达106A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 50~100nm，发射稳定，满足亚微米量级 要求 • 气态场发射离子源 亮度高达109A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 1nm，要求超高真空和低温环境。
FIB溅射刻蚀加工
FIB诱导沉积应用
+
离子束曝光 离子束曝光
抗腐蚀剂层
扫描离子显微镜和二次 离子质谱仪
+
中性原子溅射 + +
+
加热 材料结晶变化
反弹注入
离子注入
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 光子发射 材料溅射
• 入射离子在与材料中的电 子和原子的不断碰撞中， 逐渐丧失能量并被固体中 的电子中和，最后镶嵌在 固体材料中。镶嵌到固体 材料中的原子改变了固体 材料的材料的性质，这种 现象叫注入。
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 • 辐射损伤是指入射离子轰 击表层材料造成的材料晶 格损伤或晶态转化。 光子发射 材料溅射 辐射损伤 辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 光子发射 材料溅射
辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射 • 入射离子通过与固体材料 中的原子发生弹性碰撞， 被反射出来，称为背散射 离子。某些离子在发生弹 性碰撞散射前后，也可能 经历一定的能量损失。 光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次离子发射 二次电子发射 • 在入射离子轰击下，固体 表面的原子、分子、分子 碎片、分子团以正离子或 负离子的形式发射出来， 这些二次离子可直接引入 质谱仪，对被轰击表面的 成分进行分析。 光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
离子光学柱
束描画系统
X-Y工件台
信号采集处理单元
双等离子Biblioteka Baidu离子源
气态场发射离子源
液态金属离子源
聚焦离子束系统
离子源 • 离子源发射离子束进入到离子光学柱，经过 整形、质量分析，最后聚焦到工件表面。离 子光学柱中的主要部件有：静电透镜、消像 散器、束对中单元、质量分析器、静电偏转 闸和束偏转器。离子光学柱中还设置一系列 限束光阑，用来阻挡离轴较远的离子。 • 对于合金液态金属离子源系统，必须安装离 子质量分析器，用来选择所需要的的离子， 而将不需要的元素离子阻挡掉。常用的是 E×B离子质量分析器。