聚焦离子束（FIB）直写技术研究

东南大学机械工程学院，江苏南京 211189

一、引言

现代半导体制造业迅速发展，对产品的质量要求越来越高，对相关的微分析技术的要求也越来越高。除了IC制造以外，纳米结构在新元件上应用越来越多，特别是纳米光子和纳米光学。

聚焦离子束( Focused Ion Beam，FIB) 系统是在常规离子束和聚焦电子束系统研究的基础上发展起来的，除具有扫描电子显微镜具有的成像功能外，由于离子质量较大, 经加速聚焦后还可对材料和器件进行刻蚀、沉积、离子注入等微纳加工[1]，因而在纳米科技领域起到越来越重要的作用。

FIB的加工是通过离子束轰击样品表面来实现的。在FIB加工系统中，来自液态金属离子源的离子束经过加速、质量分析、整形等处理后, 聚焦在样品表面。离子束斑直径目前已可达到几个纳米[2]，其加工方式为将高能离子束聚焦在样品表面逐点轰击，可通过计算机控制束扫描器和消隐组件来加工特定的图案。

本文以实验为基础，从具体的实验结果分析各加工参数对刻蚀结果的影响，主要讨论微纳图形加工过程中，FIB系统工作参数对刻蚀结构的影响。FIB刻蚀过程中，离子束强度对于束斑的聚集性有所影响；改变离子束的入射电流直接改变了离子束刻蚀速率；随着离子束驻留时间的增加，再沉积效应的影响越来越明显。在实际刻蚀应用中，熟练掌握各参数对溅射刻蚀的影响，可以大大提高加工效率，同时也能减小因加工参数选择不当造成加工错误的可能性。

二、离子束强度的影响

离子源聚焦到样品表面时，其能量呈高斯分布[3]，设计简单实验初探能量对结构的影响对下一步实验具有指导意义。

实验方法：本文研究的各微纳图形均在Si（100）晶片上进行，预先将其切割为需求大小（5mm*10mm)。每次实验前会通过光学显微镜在晶片上查找一块干净区域，并在此区域周边滴上银胶标记，既能方便定位查看结果，又能利用银胶边缘结构快速聚焦。在刻蚀中，纳米图形结构轮廓、形貌特征与不同的工艺参数密切相关。

实验内容：在其他参数一致的情况下，改变离子束强度，研究离子束强度的高斯分布对实验结果的影响。设定结构尺寸为2μm*2μm，驻留时间为50μs，深度设置为100nm，离子束能量取5keV、30keV，研究离子束能量的改变对刻蚀结构的影响。

图1为两种能量下刻蚀方形结构的52°倾斜视图。根据标尺测量知，5keV时矩形宽度为3068nm，30keV时矩形结构宽度为2269nm，刻蚀宽度分别比设定的参数大53.4%和13.45%，由于入射离子剂量相同，实验结果表明，刻蚀中5keV时束斑更宽，而入射离子速度变慢，刻蚀能力变低，聚焦性更差。因此在实际应用中，根据需求选择不同的能量可以达到不同的效果，如透射电子显微镜（TEM）制备过程中，粗切时就需要选用30keV进行材料去除，而在减薄过程中则可以选择入射速度较小的离子轰击，慢慢减薄。

另外，从图1（b）中可以观察到，设计的方形结构轮廓，结构的边缘并非垂直侧壁。这是由于入射的束流轮廓呈高斯分布的原因，去除材料主要由能量在半高宽以上的离子分布决定，而半高宽以下分布的离子（beam tail）导致刻蚀出的侧壁非垂直形貌。

三、离子束电流的影响

离子束电流的增加导致入射离子剂量随着增加，不同电流扫描同样的结构时，电流越大结构轮廓尺寸也会越大[4]。设定三组线结构实验，相同参数包括：不同电流下刻蚀的线轮廓长度均为10μs，驻留时间是50μs，扫描总时间为20s；三组实验中电流变化依次为1.5pA、9.7pA和48pA。图2中结果为线结构俯视图，由于线结构轮廓尺寸较小，很难观察到，因此采用原子力显微镜（AFM）对尺寸进行测量，主要对比结构的宽度和深度变化情况。

图3分别为入射电流1.5pA、9.7pA和48pA线结构的原子力显微镜（AFM）轮廓结果，根据AFM测量结果量取三种电流下线结构深度和宽度，如图4所示。

线结构的AFM测量结果表明，随着电流的增加，入射的离子数增加，相同的时间内，电流越大刻蚀的线轮廓越深，宽度变化比较缓慢。小电流可用来刻蚀纳米级尺寸，大电流材料去除能力较强[5]，实际应用中应当根据不同的需求选用不同的电流进行加工。

四、离子束驻留时间对结构形貌的影响

FIB加工过程中，在单点停留时间称为驻留时间[6]。在蚀刻过程中，当入射离子驻留时间增加时，再沉积效应随之产生，此时刻蚀的形貌结构由于再沉积影响发生变化，因此在测量溅射产额时，研究驻留时间变化对结构的影响是有必要的。

如图5刻蚀矩形2μm*4μm结构，驻留时间选择1ms，刻蚀1次，扫描方向为从左到右。从截面结果可以看到，整个扫描过程中，一次刻蚀深度曲线式加深，并从开始边界到结束始终有再沉积存在，并在两侧壁形成再沉积非晶层。

五、再沉积对结构形貌的影响

驻留时间较大时，会存在再沉积效应，利用再沉积可以刻蚀出一些奇特的形貌轮廓[7]。如图6所示，预先用小驻留时间（50μs）刻蚀方形结构，扫描次数为20次；再将驻留时间增加至1000μs后加工矩形结构，扫描次数为1次，要求此矩形结构交于方形结构的边缘。

根据之前实验可知，第二次刻蚀矩形结构一定存在再沉积效应，当遇到有一定深度的结构时，由于边界侧壁非垂直结构，当扫描矩形结构刻到倾斜边界上时，去除材料的能力增加，刻蚀速度增大。两侧类似肋板的结构，是由于再沉积堆积存在方向性。第二次结构初始扫描时，与方形重叠作用产生一方形轮廓，后续再沉积时就会沿着这一方形轮廓继续堆积，所以最后堆积出一类似肋板的结构。

六、结论

FIB的微纳图形制备过程中，不同的加工工艺对结构形貌产生一定的影响。材料去除时离子束能量采用30keV时，结构形貌和预设的基本一致，小能量加工离子束的聚焦性分散，目前在TEM制备中有所应用；相同能量下，不同的入射电流直接改变入射剂量，小电流可用来刻蚀纳米级结构；当增加驻留时间时，再沉积效应影响更明显，再沉积堆积过程中有一定的方向性，可利用其堆积原理制备奇异的再沉积结构。因此在实际应用中，应当根据实际制备需求采用不同的加工工艺加工，才能最终刻蚀出理想的形貌。