一種聚焦離子束-電子束雙束融合可控微納加工的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高能束納米原位加工及其實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域，具體涉及一種聚焦離子束-電子束雙束融合可控微納加工的方法；
【背景技術(shù)】
[0002] 離子束技術(shù)是與半導(dǎo)體工藝最兼容的技術(shù)，因此在半導(dǎo)體集成電路制造業(yè)中，離 子束技術(shù)已深入到薄膜制作、材料刻蝕、雜質(zhì)注入、三維結(jié)構(gòu)制作和表面改性諸多方面。其 中，聚焦離子束(focused ion beam，簡稱FIB)由于具有高能粒子高分辨率的特性和元素特 性，廣泛應(yīng)用在微納尺度的離子束刻蝕、離子束沉積、離子注入和離子束材料改性方面。聚 焦離子束技術(shù)是利用靜電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割技術(shù)，目前商用FIB 系統(tǒng)的離子束是從液態(tài)金屬離子源中引出。由于鎵元素具有低熔點(diǎn)、低蒸汽壓以及良好的 抗氧化力，因而液態(tài)金屬離子源中的金屬材料多為鎵(Gal I ium，Ga)。
[0003] 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡稱SEM)，利用電子束掃描形 成二次電子像，是上個(gè)世紀(jì)四十年代發(fā)展起來的一種大型精密電子光學(xué)儀器，用來直接觀 察大塊樣品的表面形貌，分辨本領(lǐng)高、景深長、圖像立體感強(qiáng)。
[0004] 現(xiàn)有的FIB微納加工裝置包括FIB單束系統(tǒng)、FIB-SEM雙束切換系統(tǒng)和FIB-SEM雙束 同步系統(tǒng)三種。
[0005] 其中，F(xiàn)IB單束系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括：由于離子電荷的積累，樣品的材料會(huì)受到很大的 限制;和電子相比，離子的質(zhì)量大得多，相同能量和束流下掃描離子成像對(duì)樣品的損傷非常 大，嚴(yán)重影響了離子束加工的質(zhì)量;另外，掃描離子成像時(shí)，產(chǎn)生的二次電子數(shù)較少，一般的 光電倍增管檢測(cè)器很難獲得足夠的二次電子成像，必須采用較為昂貴的微通道板檢測(cè)器接 收才能清晰成像。上述問題的存在，大大限制了 FIB單束系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0006] 隨后發(fā)展起來的FIB-SEM雙束切換系統(tǒng)，F(xiàn)IB加工后切換成電子束獲得高分辨率 SEM，有效地解決了 FIB單束系統(tǒng)在觀測(cè)方面的難題，而且通過電子的中和部分解決了非金 屬樣品電荷積累的問題，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子行業(yè)、三維微納米加工、材料分析、微機(jī) 電系統(tǒng)器件制作以及透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM)樣 品制作等。然而，由于電子束和離子束是切換工作的，F(xiàn)IB-SEM雙束切換系統(tǒng)不僅無法實(shí)現(xiàn) 高分辨率SEM成像對(duì)FIB加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和樣品電荷積累的實(shí)時(shí)消除，而且不能實(shí)現(xiàn) SEM對(duì)FIB加工性能的優(yōu)化調(diào)控。比如FEI公司的Quanta?3D DualBeam?和日本JEOL公司的 JIB-4500Multi FIB-SEM系統(tǒng)，離子束加工和電子束成像均為交替分開的，無法實(shí)時(shí)監(jiān)控加 工過程和電荷積累的瞬時(shí)消除，很難保證FIB整個(gè)加工過程的質(zhì)量。
[0007] 充分發(fā)揮了離子束和電子束優(yōu)點(diǎn)的FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)SEM實(shí)時(shí) 監(jiān)控下的FIB微細(xì)加工，而且通過電子的中和提高FIB單束加工精度的同時(shí)從本質(zhì)上解決了 樣品上電荷積累問題，保證FIB加工過程質(zhì)量的同時(shí)有效提高了 FIB加工的成品率，是微納 加工技術(shù)發(fā)展的重要手段。實(shí)時(shí)監(jiān)控FIB加工過程的FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)，能夠提高FIB微 納加工的性能，進(jìn)而推動(dòng)納米科技產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。然而，F(xiàn)IB-SEM雙束同步加工涉及復(fù)雜的 物理化學(xué)過程，包括中和的原子與樣品的碰撞過程、未中和的聚焦離子與樣品的相互作用 過程、電子與樣品的相互作用以及相應(yīng)的能量的交換和損失。加工的性能受很多因素的影 響，其中，入射粒子的電荷種類、能量和束斑特性直接決定了FIB-SEM同步加工中加工機(jī)理 和能量的輸入，從而影響到其加工性能和加工質(zhì)量。FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)中，參與加工過 程的粒子包括離子、電子和原子，和前面的FIB單束系統(tǒng)以及FIB-SEM雙束切換系統(tǒng)相比，同 步加工粒子和樣品的相互作用更為復(fù)雜，現(xiàn)有的研究很難獲得其加工精度和質(zhì)量的優(yōu)化控 制。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)中，一部分研究者僅僅關(guān)注于樣品處入射束中聚焦離子束的參數(shù)(速度、 質(zhì)量和FIB束流密度分布等），忽略了電子束的存在，未能包含F(xiàn)IB-SEM同步加工實(shí)際作用的 原子和電子，同步粒子束和樣品的相互作用局限于離子束的碰撞機(jī)理，導(dǎo)致其加工性能嚴(yán) 重偏離實(shí)際系統(tǒng)。比如，商用設(shè)備常用的SRIM(stopping and range ofions in matter)軟 件，當(dāng)模擬離子在材料中的分布和作用的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象以及相應(yīng)的離子能量損失、材料缺陷 損傷、聲子的產(chǎn)率、離子注入和離子濺射率時(shí)，加工過程的變量局限于FIB參數(shù)，且將FIB束 流密度分布假想成未考慮幾何像差以及空間電荷效應(yīng)的理想情況（比如高斯分布），指導(dǎo) FIB單束系統(tǒng)和FIB-SEM雙束切換系統(tǒng)時(shí)尚有一定偏差，很難控制FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)的 的加工過程。
[0009] 另一部分研究者考慮電子的中和作用建立了入射原子模型，分析了樣品表面附近 原子的速度以及束流密度分布對(duì)樣品加工性能的影響，獲得了雙束同步工作下提高FIB加 工精度的優(yōu)化參數(shù)。然而上述研究將同步加工粒子簡化為原子，忽略了FIB-SEM系統(tǒng)未中和 的離子和電子，加工性能只涉及原子和樣品的作用，且入射原子的速度和束流密度分布等 初始條件都過于理想化，很難控制雙束同步加工過程，提高FIB-SEM雙束同步加工的質(zhì)量。 [0010]綜上所述，現(xiàn)有FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)加工方法中，樣品入射粒子的種類局限于離 子或者原子，同步束和樣品相互作用的機(jī)理未能體現(xiàn)離子、電子和原子的整體效應(yīng)，樣品表 面處粒子的速度和束流密度分布等初始條件過于理想化，很難控制FIB-SEM雙束同步加工 的精度和質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 現(xiàn)有FIB-SEM雙束同步加工中，入射粒子種類不全，入射粒子和樣品相互作用的工 作機(jī)理缺乏離子、電子和原子的整體效應(yīng)，且入射粒子束流密度分布未能綜合考慮實(shí)際系 統(tǒng)的幾何像差以及空間電荷效應(yīng)，很難控制FIB-SEM同步加工過程保證加工的質(zhì)量?；谏?述問題，本發(fā)明提出了 一種聚焦離子束-電子束雙束融合可控微納加工的方法，控制雙束同 步加工過程提高加工的質(zhì)量。
[0012] -種聚焦離子束-電子束雙束融合可控微納加工的方法中，綜合考慮實(shí)際加工系 統(tǒng)的幾何像差以及空間電荷效應(yīng)分別獲得FIB和SEM三維束流密度分布后，依據(jù)雙束系統(tǒng)和 樣品的空間布局將雙束融合成同步粒子束，實(shí)現(xiàn)電子束對(duì)離子束加工的實(shí)時(shí)觀測(cè)和控制， 獲得高精度的聚焦離子束-電子束雙束融合可控微納加工。
[0013] 具體操作步驟如下：
[0014] 步驟一、設(shè)置FIB束流密度體分布所需的FIB離子光學(xué)系統(tǒng)初始參數(shù)；
[0015] FIB離子光學(xué)系統(tǒng)初始參數(shù)包括離子源參數(shù)、透鏡系統(tǒng)參數(shù)、偏轉(zhuǎn)器參數(shù)和樣品的 位置參數(shù)。
[0016] 離子源參數(shù)包括離子源的位置參數(shù)和性能參數(shù)，根據(jù)FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)測(cè)試 獲得；
[0017] 透鏡系統(tǒng)參數(shù)包括聚光鏡和物鏡參數(shù)，聚光鏡參數(shù)包括聚光鏡的位置參數(shù)和結(jié)構(gòu) 參數(shù)，物鏡參數(shù)包括物鏡的位置參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù);偏轉(zhuǎn)器參數(shù)包括偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位 置參數(shù);透鏡系統(tǒng)參數(shù)和偏轉(zhuǎn)器參數(shù)通過FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)實(shí)測(cè)和聚焦離子束光學(xué)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)研而得；
[0018] 樣品的位置參數(shù)依據(jù)FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)實(shí)測(cè)獲得。
[0019]步驟二、計(jì)算并得到FIB束系統(tǒng)中透鏡和偏轉(zhuǎn)器的二維場(chǎng)和三維空間場(chǎng)；
[0020]透鏡的二維場(chǎng)和三維空間場(chǎng)計(jì)算方法為:將步驟一中的透鏡系統(tǒng)參數(shù)中的透鏡結(jié) 構(gòu)尺寸參數(shù)輸入國際Mebs軟件的有限元法程序計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)透鏡電位的離散網(wǎng)格二維場(chǎng);將 離散網(wǎng)格場(chǎng)通過Hemite多項(xiàng)式插值獲得透鏡的三維空間場(chǎng)；
[0021]偏轉(zhuǎn)器的二維場(chǎng)和三維空間場(chǎng)計(jì)算方法為:將步驟一中偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和基準(zhǔn) 電極電位參數(shù)輸入Mebs軟件的一維邊界元法和三維有限差分程序分別獲得二維場(chǎng)和三維 空間場(chǎng)。
[0022] 步驟三、實(shí)現(xiàn)包含空間電荷效應(yīng)的FIB三維束流密度體分布；
[0023]將樣品位置設(shè)為離子FIB系統(tǒng)的高斯像平面;根據(jù)聚焦離子源的初始參數(shù)，透鏡和 偏轉(zhuǎn)器的位置和二維空間場(chǎng)以及樣品的位置參數(shù)，并以FIB-SEM雙束同步系統(tǒng)FIB單束加工 性能優(yōu)化獲得透鏡電位和偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)電壓后，采用五階龍格庫塔法求解離子束運(yùn)動(dòng)的牛 頓一洛侖茲方程組，獲得包含幾何像差和空間電荷效應(yīng)的FIB三維運(yùn)動(dòng)軌跡，得到FIB束流 密度的三維空間分布