聚焦離子束（FIB）直寫技術研究

現代半導體製造業迅速發展，對產品的品質要求越來越高，對相關的微分析技術的要求也越來越高。除了IC 製造以外，納米結構在新元件上應用越來越多，特別是納米光子和納米光學。

聚焦離子束（Focused Ion Beam， FIB）系統是在常規離子束和聚焦電子束系統研究的基礎上發展起來的，除具有掃描電子顯微鏡具有的成像功能外，由於離子品質較大, 經加速聚焦後還可對材料和器件進行刻蝕、沉積、離子注入等微納加工，因而在納米科技領域起到越來越重要的作用。

FIB的加工是通過離子束轟擊樣品表面來實現的。

在FIB 加工系統中，來自液態金屬離子源的離子束經過加速、品質分析、整形等處理後, 聚焦在樣品表面。離子束斑直徑目前已可達到幾個納米，其加工方式為將高能離子束聚焦在樣品表面逐點轟擊，可通過電腦控制束掃描器和消隱元件來加工特定的圖案。

東南大學機械工程學院金乾進等研究人員以實驗為基礎，從具體的實驗結果分析了各加工參數對刻蝕結果的影響，主要討論微納圖形加工過程中， FIB 系統工作參數對刻蝕結構的影響。 FIB 刻蝕過程中，離子束強度對於束斑的聚集性有所影響；改變離子束的入射電流直接改變了離子束刻蝕速率；隨著離子束駐留時間的增加，再沉積效應的影響越來越明顯。在實際刻蝕應用中，

熟練掌握各參數對濺射刻蝕的影響，可以大大提高加工效率，同時也能減小因加工參數選擇不當造成加工錯誤的可能性。

一、離子束強度的影響

離子源聚焦到樣品表面時，其能量呈高斯分佈，設計簡單實驗初探能量對結構的影響對下一步實驗具有指導意義。

實驗方法：本文研究的各微納圖形均在Si（100）晶片上進行，預先將其切割為需求大小（5mm*10mm)。每次實驗前會通過光學顯微鏡在晶片上查找一塊乾淨區域，並在此區域周邊滴上銀膠標記，既能方便定位查看結果，又能利用銀膠邊緣結構快速聚焦。在刻蝕中，納米圖形結構輪廓、形貌特徵與不同的工藝參數密切相關。

實驗內容：在其他參數一致的情況下，改變離子束強度，

研究離子束強度的高斯分佈對實驗結果的影響。設定結構尺寸為2um*2um，駐留時間為50us，深度設置為100nm，離子束能量取5keV、30keV，研究離子束能量的改變對刻蝕結構的影響。

圖1 不同能量下刻蝕方形結構的傾斜視圖

圖2 不同電流下刻蝕線結構的俯視圖

圖3 不同電流下刻蝕線結構的AFM輪廓圖

圖1 為兩種能量下刻蝕方形結構的52°傾斜視圖。根據尺規測量知， 5keV 時矩形寬度為3068nm， 30keV時矩形結構寬度為2269nm，刻蝕寬度分別比設定的參數大53.4% 和13.45%，由於入射離子劑量相同，實驗結果表明，刻蝕中5keV 時束斑更寬，而入射離子速度變慢，刻蝕能力變低，聚焦性更差。因此在實際應用中，根據需求選擇不同的能量可以達到不同的效果，如透射電子顯微鏡（TEM）製備過程中，

粗切時就需要選用30keV 進行材料去除，而在減薄過程中則可以選擇入射速度較小的離子轟擊，慢慢減薄。

另外，從圖1（b）中可以觀察到，設計的方形結構輪廓，結構的邊緣並非垂直側壁。這是由於入射的束流輪廓呈高斯分佈的原因，去除材料主要由能量在半高寬以上的離子分佈決定，而半高寬以下分佈的離子（beam tail）導致刻蝕出的側壁非垂直形貌。

二、離子束電流的影響

離子束電流的增加導致入射離子劑量隨著增加，不同電流掃描同樣的結構時，電流越大結構輪廓尺寸也會越大。設定三組線結構實驗，相同參數包括：不同電流下刻蝕的線輪廓長度均為10us，駐留時間是50us，掃描總時間為20s；三組實驗中電流變化依次為1.5pA、9.7pA 和48pA。圖2 中結果為線結構俯視圖，

由於線結構輪廓尺寸較小，很難觀察到，因此採用原子力顯微鏡（AFM）對尺寸進行測量，主要對比結構的寬度和深度變化情況。

圖3分別為入射電流1.5pA、9.7pA 和48pA 線結構的原子力顯微鏡（AFM）輪廓結果，根據AFM測量結果量取三種電流下線結構深度和寬度，如圖4所示。

圖4 不同電流下刻蝕線結構尺寸

線結構的AFM 測量結果表明，隨著電流的增加，入射的離子數增加，相同的時間內，電流越大刻蝕的線輪廓越深，寬度變化比較緩慢。小電流可用來刻蝕納米級尺寸，大電流材料去除能力較強，實際應用中應當根據不同的需求選用不同的電流進行加工。

三、離子束駐留時間對結構形貌的影響

FIB加工過程中，在單點停留時間稱為駐留時間。在蝕刻過程中，當入射離子駐留時間增加時，再沉積效應隨之產生，此時刻蝕的形貌結構由於再沉積影響發生變化，因此在測量濺射產額時，研究駐留時間變化對結構的影響是有必要的。

圖5 1ms駐留時間刻蝕再沉積結構和截面圖（A-

如圖5刻蝕矩形2um*4um 結構，駐留時間選擇1ms，刻蝕1次，掃描方向為從左到右。從截面結果可以看到，整個掃描過程中，一次刻蝕深度曲線式加深，並從開始邊界到結束始終有再沉積存在，並在兩側壁形成再沉積非晶層。

四、再沉積對結構形貌的影響

駐留時間較大時，會存在再沉積效應，利用再沉積可以刻蝕出一些奇特的形貌輪廓。如圖6 所示，預先用小駐留時間（50us）刻蝕方形結構，掃描次數為20 次；再將駐留時間增加至1000us 後加工矩形結構，掃描次數為1 次，要求此矩形結構交於方形結構的邊緣。

圖6 再沉積結構

根據之前實驗可知，第二次刻蝕矩形結構一定存在再沉積效應，當遇到有一定深度的結構時，由於邊界側壁非垂直結構，當掃描矩形結構刻到傾斜邊界上時，去除材料的能力增加，刻蝕速度增大。兩側類似肋板的結構，是由於再沉積堆積存在方向性。第二次結構初始掃描時，與方形重疊作用產生一方形輪廓，後續再沉積時就會沿著這一方形輪廓繼續堆積，所以最後堆積出一類似肋板的結構。

五、結論

FIB的微納圖形製備過程中，不同的加工工藝對結構形貌產生一定的影響。材料去除時離子束能量採用30keV 時，結構形貌和預設的基本一致，小能量加工離子束的聚焦性分散，目前在TEM製備中有所應用；相同能量下，不同的入射電流直接改變入射劑量，小電流可用來刻蝕納米級結構；當增加駐留時間時，再沉積效應影響更明顯，再沉積堆積過程中有一定的方向性，可利用其堆積原理製備奇異的再沉積結構。因此在實際應用中，應當根據實際製備需求採用不同的加工工藝加工，才能最終刻蝕出理想的形貌。

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）。埃德萬斯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。