聚焦离子束加工技术及其应用

聚焦离子束加工技术及其应用

摘要：。聚焦离子束(FIB)技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸，通过偏转系统实现微细束

加工的新技术。文章简述了聚焦离子束工作原理和应用前景等。

关键词：聚焦离子束、刻蚀

1．聚焦离子束简介

聚焦离子束(focused ion beam，FIB)与聚焦电子束从本质上讲是一样的，都是带电粒子经过电磁场聚焦形成细束。但聚焦电子束不同于聚焦离子束。区别在于它们的质量，最轻的离子为氢离子也是电子质量的1 840倍。离子束不但可以像电子束那样用来曝光，而且重质量的离子也可以直接将固体表面的原子溅射剥离，因此聚焦离子束更广泛地作为一种直接微纳米加工工具。

离子束的应用已经有近百年的历史。自1910年Thomson建立了气体放电型离子源后，离子束技术

主要应用于物质分析、同位素分离与材料改性。由于早期的等离子体放电式离子源均属于大面积离子源，很难获得微细离子束。真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现。1975年美国阿贡国家实验室开发出液态金属离子源(LMIS)，1978年美国加州休斯研究所的R．L．Seliger等人建立了第一台装有Ga LMIS的FIB系统，其束斑直径仅为100nm(目前已可获得只有5nm的束斑直径)。电流密度为1．5A／cm ，亮度达3．3×10。A／(cm2．sr)。这给进行亚微米JJnq-器件的研究极大的鼓舞。

聚焦离子束(FIB)技术就是在电场及磁场的作用下，将离子束聚焦列亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。FIB技术经过不断发展，离子束已可以在几个平方微米到近lmm 的区域内进行数字光栅扫描，可以实现：①通过微通道极或通道电子倍增器收集二次带电粒子来采集图像。②通过高能或化学增强溅射来去除不想要的材料。③淀积金属、碳或类电介质薄膜的亚微米图形。

FIB技术已在掩膜修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜(TEM)试样制作及三维结构直写等多方面获得应用。

2．聚焦离子束的工作原理

离子束系统的“心脏”是离子源。目前技术较成熟，应用较广泛的离子源是LMIS，其源尺寸小、亮度高、发射稳定，可以进行微纳米加工。同时其要求工作条件低(气压小于10 Pa，可在常温下工作)，能提供A1、As、Au、B、Be、Bi、Cu、Ga、Fe、In、P、Pb、Pd、Si、Sn及Zn等多种离子。由于Ga(镓)具有低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化力，成为目前商用系统采用的离子源。

液态金属离子源（LMIS)结构有多种形式，但大多数由发射尖钨丝、液态金属贮存池组成，典型的LMIS 结构示意图如图所示。

FIB系统由离子束柱、工作腔体、真空系统、气体注入系统及用户界面等组成，图2是聚焦离子束工作原理示意图。其工作原理为：在离子柱顶端的液态离子源上加上较强的电场，来抽取出带正电荷的离子，通过同样位于柱中的静电透镜，一套可控的上、下偏转装置，将离子束聚焦在样品上扫描，离子束轰击样品后产生的二次电子和二次离子被收集并成像。

典型的聚焦离子束系统的工作电流在lpA到30nA之间。在最小工作电流时，分辨率均可达5nm。

目前已有多家公司可以提供商品聚焦离子束系统，其中以美国FEI公司的产品占主导地位。该公司可提供一系列通用或专用聚焦离子束机，包括结构分析系列与掩模缺陷修补系列的电子离子双束系统与集成电路片修正系统。

双束系统的优点是兼有扫描镜高分辨率成像的功能及聚焦离子束加工的功能。用扫描电镜可以对样品精确定位并能实时观察聚焦离子束的加工过程。聚焦离子束切割后的样品可以立即通过扫描电镜观察。工业用机的自动化程度高，可装载硅片的尺寸为(6～8)in。

3．聚焦离子束加工的特点

聚焦离子束加工在微细加工和超精密加工中是种最有前途的原子、分子加工单位的加工方法。其特点有： (1)加工精度和表面质量高离子束加工是靠微观力效应，被加工表面层不产生热量，不引起机械力和损伤。离子束斑直径可达1 m以内，加工精度可达am级。

(2)加工材料广可对各种材料进行加工。对脆性、半导体、高分子等材料均可加工。由于是在真空下进行加工，故适于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。

(3)加工方法多样离子束加工可进行去除、镀膜、注入等加工，利用这些加工原理出现了多种多样的具体方法，如成形、刻蚀、减薄、曝光等，在集成电路制作中占有极其重要的地位。

(4)控制性能好易于实现自动化。

(5)应用范围广泛可以选用不同的离子束的束斑直径和能量密度来达到不同的加工要求。其应用范围可用图3表示。

4．聚焦离子束加工技术的应用

聚焦离子束的主要功能是溅射与沉积，这种溅射与沉积是在极其微小的尺度范围内进行的，这就使它在下述一些领域内具有其他任何加工手段都无法比拟的优势。

(1)审查与修改集成电路芯片高集成度的IC芯片通常包含几百万甚至上亿个晶体管及其连线，设计如此复杂的系统难免会产生疏漏差错。电路设计一旦变成实际的芯片就无法再改变。运用聚焦离子束的溅射与沉积功能，则可以将某一处的连线断开，或将某一处原来不连接的部分连接起来。通过这种改变电路连线走向的方法可以查找诊断电路的错误，并可以直接在芯片上修正这些错误。现代聚焦离子束系统可以将集成电路设计版图与实际芯片电路图像(扫描电子显微像)直接一一对照，修改的部位可以精确定位，保证了修改的准确性。

除了诊断设计错误外，聚焦离子速还可以帮助诊断制造工艺过程中出现的问题。例如将电路的某一局部切开，观察其横截面。通过检查芯片横截面就可以对加工工艺的某一环节出现的问题一目了然。同时FIB 沉积铂可以形成电路之间的纳米连接，纳米连接的线宽仅为几十纳米，而线长可达几十微米。同时，还可以将离子铣工艺和沉积工艺结合起来，将埋藏在绝缘层下的两条互不导通金属线在绝缘层上连接起来。

最近研发出的聚焦离子束／电子束双束纳米加工系统(~NFEI公司生产的Dual beam235FIB)，可

以用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工及扫描电子显微镜实时观察，开辟了从大块材料制造纳米器件、进行纳米加工的新途径。这种纳米加工中心已用于半导体集成电路生产线，直接修补、加工集

成电路，大大提高了生产率。

(2)修复光学掩模缺陷聚焦离子束的另一大应用是修复光学掩模上的缺陷。这些缺陷是在光学掩模制造过程中产生的。掩模缺陷主要有两大类：遮光缺陷与透光缺陷。这些缺陷在集成电路曝光过程中会转移到硅片上变成电路缺陷，最终导致集成电路失效。

早期掩模修复主要采用激光烧灼。但激光无法修复小尺寸的缺陷(因受束斑尺寸限制)，而且修

复区域的边界不整齐。由于聚焦离子束的束斑很小，故在小尺度光学掩模的修复中发挥了重要作用。聚焦离子束修补遮光缺陷的原理就是离子溅射。但其最大问题就是镓离子污染，致使石英玻璃的透光率损失。最简单的去除镓污染的方法就是在离子溅射后，用RIE (反应离子刻蚀)将注入有镓离子的表层玻璃刻蚀去除，能够使透光率恢复~190％以上。RIE刻蚀设备现在广泛应用于集成电路生产、微型机械(MEMS)制造等领域，是目前应用最多的刻蚀技术，在Si、SiO、SiN以及金属刻蚀方面取得巨大的

突破。

透光缺陷的修复比较简单，利用聚焦离子束辅助沉积的方法将不透光材料沉积到缺陷位置即可。沉积材料一般为碳。一般透光缺陷表面为绝缘体(石英或玻璃)，为此，必须采取措施中和表面的离子电荷积累。

(3)制作透射电子显微镜样品无论是透射电子显微镜(TEM)还是扫描透射电子显微镜(STEM)都需要制作非常薄的样品，以使电子可以穿透样品，形成电子衍射图像。一般制作TEM样品的方法是对块状样品进行离子束削磨及手工研磨，非常耗时耗力，成功率很低，无法定位。用这种方法只能分析大面积样品。FIB

技术的出现给TEM样品制作带来了极大的方便。与切割横截面的方法一样，制作TEM样品是利用聚焦离子束从前后两个方向溅射，最后在中间留下一个薄的区域作为TEM观察的样品。