综述了聚焦离子束溅射在微米/纳米制造方面的应用，讨论了微米/纳米结构材料的溅射方法

 

一些物理量：

 

J0=电流强度峰值（位于粒子束的中心）

 

K1，K2=不同晶体结构的材料因数以及其他的独立属性

 

α=能量传递系数

 

φ=离子流量

 

η=目标原子密度

 

σ=标准差

 

δ=像素间距（单位：纳米）

 

φ（x，y）=（x，y）点处的离子流量

 

εb=原子键能

 

∆Zij=点（x，y）处的溅射深度

 

a=累积强度变量剖面的峰谷值

 

A=孔径尺寸（纳米）

 

B=粒子束功能

 

d=离子量

 

fx，y=二维高斯光束的能量密度

 

I=离子束流量总量

 

J（x，y）=点（x，y）处的离子流强度

 

M=材料功能常数

 

mi，mt=入射离子的质量以及目标粒子的质量

 

MRR=材料移除率

 

R=溅射面厚度

 

r=FIB半径（纳米）

 

Ra，Rmax=表面粗糙度的平均值及最大值（谷峰值）

 

S（θ）=溅射角

 

TC=溅射时间

 

Td=保延时间

 

tx，y=点（x，y）处的离子溅射保延时间

 

U0=原子键能

 

V=增速电压

 

Y（E）=普通溅射产量

 

z=溅射深度

 

Zi，Zt=源原子的核电荷数和目标原子的核电荷数

 

一、介绍

 

聚焦离子束系统（FIB-focused ion beam）商业化制造已经接近30年。最初主要供应给大型半导体制造商。聚焦离子束FIB，利用镓离子在很高的空间分辨率下切割去除材料。这样可以在样品特殊的位置制作剖面（断面）。样品既可以直接在FIB中研究，也可以转移到扫描电镜或者透射电镜中进行精细分析。当镓离子和一定气体作用，它也有可能沉积材料。因此FIB在很广阔的应用范围内能被用于多功能工具使用。

 

FIB系统的操作除了不用电子束以外和扫描电镜工作方式非常相似。大多数FIB系统装备液态金属离子源（LMIS），加热的同时伴随一定的拔出电压，获得镓离子束。通过一套电子透镜精细聚焦的镓离子束，在束偏转线圈的作用下，形成扫描光栅。离子束的能量分散约为5ev，为了降低像差，在离子束光轴上设置光阑，为了消除象散，使用八级线圈作为消象散器。如果是合金离子源，通过质量选择器来选择离子。离子束可通过溅射对样品局部进行移除，局部沉积，也可以用于材料FIB表面成像。

 

聚焦离子束（FIB）在显微机械加工领域得到广泛的应用，在微电子等领域的应用例如分析及修改集成电路、修剪磁头等，FIB的应用可以成功地扩展在其他领域并取得成就，用于扫描电子显微镜（SEM）成像技术，也可以用于其他分析设备诸如：隧道电子显微镜（TEM），二次离子质谱（SIMS）等。聚焦离子束显微镜（Focused Ion beam，FIB）系统是利用电子透镜将离子束聚集成非常小尺寸的显微精细切割仪器，目前商用系统的离子束多为液体金属离子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），金属材质为镓，因为镓元素具有低熔点、低蒸汽压，及良好的抗氧化能力。

 

聚焦离子束显微境的基本功能可分为四种，即：

 

1. 精细切割，利用粒子的物理碰撞来达到切割的目的；

 

2. 选择性的材料蒸镀，以离子束的能量分解有机金属蒸汽或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可供金属和氧化层的沉积，常见的金属沉积有铂和钨两种；

 

3. 增强刻蚀或选择性刻蚀，辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除；

 

4. 刻蚀终点检测，检测二次离子的信号，以此了解切割或刻蚀的进行状况。

 

聚焦离子束显微境在IC工业上的应用，主要分为五大类：

 

1. 线路修改和布局验证；

 

2. 元器件失效分析；

 

3. 生产线工艺异常分析；

 

4. IC工艺监控一例如光刻胶的切割；

 

5. 透射电子显微镜样片制作。

 

液态金属离子源（LMIS）使FIB能够在FIB显微机械加工领域获得更小的直径，FIB溅射是一种新兴技术用于无掩膜精密加工。入射离子冲击衬底然后以阶梯碰撞形式释放出粒子，这两种溅射都是干蚀刻/溅射以及气体辅助蚀刻（GAE），GAE是一种非常复杂的现象，因为材料的移除取决于气体的化学反应和活泼离子的物理变化以及气体变化和活泼离子的共同作用。

 

干溅射对于FIB显微机械加工显得越来越重要主要是因为他在微米/纳米领域的广泛应用。

 

对于FIB的主要的研究课题是计算溅射参数以便达到特定的几何形状和表面光洁度。

 

随着数学模型的发展，FIB溅射过程对精密加工显得更加重要。事实上，几乎所有的材料都能被溅射，当然也能被FIB以5~10nm的工艺尺寸所直观地展现出来。FIB溅射的材料移除率比化学气相沉积更高，而FIB溅射具有更小的尺寸。

 

FIB在精密加工方面的应用领域以及其与LIGA的（平版印刷、电镀、模具）竞争进行了讨论。最后，给出了LIGA-similar过程和微小组成部分的大规模生产。

 

二、FIB的基本原理

 

高能离子被静电电压转移到衬底，离子流沿着狭长的圆筒型隧道移动。

 

稳压电源将发射源物质稍加热以维持发射源的流动性。

 

在离子化进程中，液态金属原子有失去电子的倾向，然后变成阳离子。带电以后，离子可被加速、聚集或被电场控制。

 

他们较高的质量能诱导溅射效应的发生。加速电压使离子在接地点加速，加速电压越高，离子移动速度越快

 

2.1 仪器

 

基本的单波束仪器由液态金属离子源、一个离子柱、样品载台、真空腔组成。

 

典型的离子束显微镜包括液态金属离子源及离子引出极、预聚焦极、聚焦极所用的高压电源、电对中、消像散电子透镜、扫描线圈、二次粒子检测器、可移动的样品基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电路控制板和电脑等硬件设备。

 

2.2 离子束剖面与直径

 

对于离子束剖面以及离子强度分布的分析是一个基本的条件。离子束剖面通常被看作是圆截面上的高斯分布。

 

其中，I=离子束总强度，，J（x，y）=点（x，y）处的离子流量密度。

 

2.3 溅射原理

 

FIB可以用于直接和无掩模的图案衬底制作上。衬底的材料可以是硅、钨、钢或者任何其他的晶体材料。被质子轰击和被溅射的离子分别称作初级和次级离子。在逐行扫描的过程中，离子束停留在一个特定的点上并持续一段时间，然后移至下一个像素点。两个像素点之间的距离称作“像素距离”，当一行中的所有位点都被扫描完成之后，离子束将移动至下一行。当整个溅射区域都被扫描完成以后，离子束将重新开始扫描直到它用完所提供的离子剂量。外加电场于液态金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-SMem：，以电透镜聚焦，经过可变孔径光阑，决定离子束的大小，再经过二次聚焦以很小的束斑轰击样品表面，利用物理碰撞来达到切割的目的，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。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，在表面或表层弹性散射或非弹性散射的入射离子，它们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；3二次电子，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；4x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。

 

样品表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是离子束显微镜影像的来源。影像的解析度决定于离子束的大小，离子束的加速电压，二次粒子讯号的强度，试片接地的状况以及仪器抗振动和磁场的状况。纯物理溅射过程中，由于被溅射物质往往是不挥发的，容易引起重淀积现象而降低刻蚀效率，重淀积的程度与坑的深度和被溅射出的离子数成正比，即与溅射刻蚀的离了束流大小成正比。气体注入系统的引入可以克服上述缺点。在刻蚀过程中，将反应气体喷到样品表面的刻蚀区域。高能离子束诱生吸附在样品表面的气体与刻蚀区样品进行化学反应，产生的挥发性反应产物由真空泉抽走，这就是“增强刻蚀”。它不仅有效地防止了重淀积，提高了溅射速率，且具有相同的刻蚀形状和精确度，而且对不同样品材料有很好的选择性，即在同样的刻蚀条件下。由于不同材料与反应气体的化学活性不同而使刻蚀速率明显不同，从而大大降低了对刻蚀终点控制的要求。

 

三、FIB溅射模型

 

尽管FIB溅射能制备高精确度的微元件，控制溅射深度是相当困难的。如果衬底的材料既不是集成电路，也不是晶圆，那么SIMS（二次离子质谱技术）能以20nm的精确度探测并鉴定出过渡层。但是，对于单一组成的材料而言，SIMS技术则无法使用。这样就导致末端点的检测成为FIB溅射的难点。表面粗糙度的估测则是FIB溅射微加工中的另一个关键性问题。在如下几个部分中，若干模型被讨论如何达到期望的溅射深度、几何完整性以及表面抛光处理。

 

3.1 离子束与样品相互作用

 

非弹性作用：电子能量损失，离子化。

 

弹性作用：原子核能量损失，离子能量直接转移到样品的原子，从样品表面溅射样品原子，离子束反射，背散射，取代样品原子，离子注入。

 

离子反射或者背散射

 

电子发射

 

电磁辐射

 

原子溅射和离子发射

 

固体样品损伤

 

固体样品发热

 

3.2 离子束的溅射作用

 

由于离子束的溅射作用，FIB能用于局部的去处或者研磨掉材料。

 

随着离子束入射角度增加，离子束与样品相互作用的每次碰撞流溅射出的原子数量增加。（和ISE产额随表面几何形貌变化的效应类似）。然而，同时离子反射或者背散射分量也在增加。这两个合并效应导致在入射角度接近75-80°时，溅射产额达到最大值。这个效应由Ga离子在25-30kev能量射入到各种各样的材料上证明的，包括单晶硅，非晶体二氧化硅，多晶Au和W，显示理论和试验之间很好的一致性。硅或者非晶体硅对于这个研究是理想的，因为避免晶体通道效应（非晶硅的表面区域在镓离子束下）。在入射角度和通道效应同时存在条件下，晶体材料的反应更加复杂。

 

在给定入射角度的溅射产额随有多种因素变化，通道的晶体取向。容易的通道取向，离子只经历非弹性作用，与躺在晶面里样品原子掠射角碰撞，在引起弹性散射前，深入晶体内部，因此只有少数原子从表面被溅射。这好比晶体取向效应对低能电子产额的影响。在垂直晶界的溅射通道效应。溅射剖面图还有赖于在样品表面扫描光栅的方向和序列。例如，环形的溅射轮廓，被快速和重复的扫描切割，与慢扫描逐点切割不同。

 

再沉积减少了溅射产额的效果，改变溅射轮廓。产额的降低发生原因再沉积的材料在溅射的区域重新着陆，必需再一次溅射。再沉积也给出完全垂直的边墙没有过分倾斜样品时不能被FIB切割的原因。当然也有部分原因离子束剖面尾矿密度和入射角度的降低。许多再沉积效应的细节保持开放，诸如晶体曲线和通道效应。

 

除了再沉积，在溅射过程中，表面粗糙度和阴影效应是普遍存在的。

 

四、FIB溅射技术的应用

 

自从FIB溅射技术用于材料的移除之后，这项技术又被用于微工程学之下的各个领域：昂贵的X射线防护面具、对于生物学和药剂制品的研究等等。这些都是FIB的新应用之一：SIMS技术、TEM样品制备、高长径比显微结构、以及若干种其他的微米/纳米结构的制备。这些组件的外形轮廓的范围大致是从亚微米至数百微米。制造出来的微腔用于制造聚合物微组件，这些组件通常用于微光刻电铸过程。