聚焦離子束加工中的主要缺陷

2021-01-19 MEMS



聚焦離子束(FIB)是一種微納米加工技術,其基本原理與掃描電子顯微鏡(SEM)類似,採用離子源發射的離子束經過加速聚焦後作為入射束,高能量的離子與固體表面原子碰撞的過程中可以將固體原子濺射剝離,因此,FIB更多的是被用作直接加工微納米結構的工具。結合氣體注入系統(GIS),FIB可以輔助進行化學氣相沉積,定位誘導沉積生長微納米材料和結構,或者輔助進行選擇性增強刻蝕特定材料和結構。


在實際應用聚焦離子束加工製作微納米結構時,由於FIB本身的特徵及被加工材料的原因,最終加工製作出的結構有時會產生缺陷,這些缺陷主要包括:


傾斜側壁


在聚焦的束斑內,離子呈現出高斯分布特徵,越靠近束斑中心,離子的相對數量越大。如果離子束按單個像素點刻蝕轟擊樣品,將形成錐形截面輪廓的孔洞。隨著刻蝕深度的增加,截面的錐度將逐漸減小直至飽和。因材料及其晶體取向不同,截面通常會有1.5~4°的錐度。


要想得到與樣品表面完全垂直的截面,通常採用將樣品人為傾斜特定的角度,以彌補截面與離子束入射角度之間的偏差。另外,還可以採用側向入射的方式進行切割,通過定義刻蝕圖案來控制截面與表面的角度,靈活地加工出形狀更加複雜的三維微納米結構。


窗簾結構


聚焦離子束加工樣品截面時,另外一個需要關注的問題是截面的平整度,有時會在截面上出現豎直條紋,被稱為窗簾結構。窗簾結構的形成與聚焦離子束切割固有的傾斜側壁密切相關,當樣品表面有形貌起伏或成分差異時,會產生刻蝕速率的差異,就會形成窗簾結構。


對於表面形貌起伏引起的窗簾結構,解決辦法通常是在樣品表面用FIB輔助化學氣相沉積生長一層保護層,使表面變得平坦;也可以通過改變離子束的入射方向,從沒有起伏的面開始切割,從而避開其影響。對於成分差異引起的窗簾結構,可以通過搖擺切割的方式,使離子束在多個角度入射進行消除。


非均勻刻蝕


聚焦離子束可以直接快速地加工製作微納米平面圖形結構,對於非晶體材料或單質單晶材料,FIB刻蝕通常可以得到非常平整的輪過形狀和底面,但對於多晶材料和多元化合物材料,由於各個晶粒的取向不同,刻蝕速率在不同晶粒區域也會不同,經常會呈現非均勻刻蝕,底面並不平整。


對於多晶材料刻蝕出現的非均勻性加工缺陷,可以通過增大離子束掃描每點的停留時間來加以改善。聚焦離子束轟擊固體材料時,固體材料的原子被濺射逸出的過程中,部分原子會落回樣品表面,該過程稱為再沉積。增大離子束在每點的停留時間,再沉積的影響就會增強,再沉積的原子落入凹陷處的機率更高,可以起到平坦化的作用,從而改善刻蝕底面的平整性。



左圖為未使用XeF2時離子束切割後的截面流水效應,右圖使用XeF2輔助刻蝕,切割後表面就比較平整


對於多元化合物材料產生的非均勻刻蝕缺陷,通常可以採用氣體輔助增強刻蝕的方式,使逸出較慢的原子與反應氣體形成更低熔點的化合物而被快速刻蝕去除。


反應氣體殘留汙染


聚焦離子束加工結合氣體注入系統可以實現輔助化學氣相沉積,定位生長特定的納米結構,這種方法被稱為聚焦離子束誘導沉積。但是,反應氣體殘留汙染是一個不容忽視的問題,同時,反應氣體也可能殘留在樣品表面造成汙染。


去除反應氣體殘留汙染的方法通常是對樣品進行加熱使其更快脫附,也可以採用離子轟擊進行刻蝕去除。


結論


聚焦離子束技術因其直接靈活的優勢,逐漸在眾多領域得到了應用。在加工製作各種微納米結構的過程中,有時會產生加工缺陷,剖析這些加工缺陷產生的物理根源,研究減輕或消除這些缺陷的方法,能夠提高聚焦離子束的加工性能,儘量得到符合預期設計的微納米結構。


北京埃德萬斯離子束技術研究所股份有限公司自主研發的離子束刻蝕機、離子束濺射鍍膜機是非矽微納機電製造的核心設備。其通用離子束刻蝕系統,除了可進行傳統微納結構刻蝕外,還可實現離子束清洗、材料表面拋光和材料減薄等功能,還可實現化學輔助離子束刻蝕(CAIBE)與反應離子束刻蝕(RIBE)。公司自主研發的離子束濺射薄膜沉積系統具有最寬範圍材料適用性、最佳的沉積環境、優良的清洗功能、高密度金屬厚膜、高材料利用率以及輔助濺射功能。


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