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1、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,光子束技术,离子束技术,具有极高的分辨率，可制作最细线宽58nm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(0.50.8m器件)、准分子激光光刻（0.180.13m器件)、极紫外光刻(3565nm器件)、激光图形发射器(0.2m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
2、性等方面。,聚焦离子束vs.常规离子束,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,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,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
3、,离子源,引出极,聚焦透镜,质量分析器,束闸,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,离子光学柱,束描画系统,X-Y工件台,信号采集处理单元,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/(cm2sr)，源典型尺寸为50m，广泛应用于微细加工领域。液态金属离子源亮度高达106A/(cm2sr)，源典型尺寸为50100nm，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/(cm2sr)，源典型尺寸为1nm，要求超高真空和低温
4、环境。,离子源,双等离子体离子源,液态金属离子源,气态场发射离子源,聚焦离子束系统,离子源,X-Y工件台,束描画系统,离子光学柱,信号采集处理单元,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EB离子质量分析器。,离子光学柱,EB 离子质量分析器工作原理,聚焦离子束系统,离子源,离子光学柱,束描画系统,X-
5、Y工件台,信号采集处理单元,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。,束描画系统,聚焦离子束系统,离子源,离子光学柱,束描画系统,X-Y工件台,信号采集处理单元,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
6、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。,X-Y工件台,聚焦离子束系统,离子源,离子光学柱,束描画系统,X-Y工件台,信号采集处理单元,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
7、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。,信号采集处理单元,套刻对准用的“十”字标记,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,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,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。,入射离子注入,材料加热,反冲注入,聚焦离子束与固体材
8、料表面的相互作用,入射离子注入,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,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。,反冲注入,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,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。,入射离子背散射,材料加
9、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,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。,二次离子发射,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,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。,二次电子发射,材料加热,聚
10、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,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。,二次光子发射,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,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
11、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,材料溅射,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,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。,辐射损伤,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,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
12、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。,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,光子发射,材料溅射,辐射损伤,化学变化,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,材料加热,材料加热,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
13、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。,聚焦离子束的应用,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,离子束曝光,FIB诱导沉积应用,FIB溅射刻蚀加工,FIB无掩模离子注入,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
14、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,聚焦离子束的应用,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,离子束曝光,FIB诱导沉积应用,FIB溅射刻蚀加工,FIB无掩模离子注入,FIB溅射刻蚀加工,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
15、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。,聚焦离子束的应用,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,离子束曝光,FIB诱导沉积应用,FIB溅射刻蚀加工,FIB无掩模离子注入,FIB诱导沉积应用,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
16、 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,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,离子束曝光,FIB诱导沉积应用,FIB溅射刻蚀加工,FIB无掩模离子注入,离子束曝光,SIM工作原理：离子光学柱将离子束聚焦到样品表面，偏转系统使离子束在样品表面做光栅式扫描。电子信号检测器接收离子束扫描过程中与样品表面作用产生的二次电子或二次离子信号，调制屏幕亮度，反应出样品形貌。（对样品有损伤）FIB/SIMS原理：入射离子束轰击样品表面会产生二次离子，让入射离子束逐点逐层扫描，通过对二次电子的质谱分析就能够获得式样的二维或三维化学成分图。FIB/SIMS优点：1.纵横分辨率高 2.检测范围宽 3.信噪比高 4.灵敏度高 5.可区分同位素 缺点：1.难以量化测量 2.样品要求苛刻 3.破坏样品4.需要标样标定 5.入射离子对测量有干扰,聚焦离子束的应用,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,离子束曝光,FIB诱导沉积应用,FIB溅射刻蚀加工,FIB无掩模离子注入,扫描离子显微镜和二次离子质谱仪,Thanks for your attention,
