聚焦离子束曝光技术

摘要：聚焦离子束技术是一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和无掩模刻蚀各过程于一身的新型微纳加工技术。它大大提高了微电子工业上材料、工艺、器件分析及修补的和速度，目前已经成为微电子技术领域必不可少的关键技术之一。对聚焦离子束曝光技术作了介绍。

关键词：聚焦离子束，液态金属离子源，曝光

中图分类号：TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1004－4507（2005）12－0056－03

聚焦离子束也可以像电子束那样作为一种曝光手段。离子束曝光有非常高的灵敏度，这主要是因为在固体材料中的能量转移的效率远远高于电子。常用的电子束曝光抗蚀剂对离子的灵敏度要比对电子束高100倍以上。除了灵敏度高之外，离子束曝光的另一优点是几乎没有邻近效应。由于离子本身的质量远大于电子，离子在抗蚀剂中的散射范围要远小于电子，并且几乎没有背散射效应。本文首先对聚焦离子束系统做了简单介绍，然后介绍了聚焦离子束曝光技术及其应用。

1 液态金属离子源

离子源是聚焦离子束系统的心脏，真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源[1、2]。液态金属离子源的基本结构如所示

在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的（泰勒锥），液态的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/sr。

2 聚焦离子束系统的工作原理

聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓（Gallium，Ga）[3、4]。给出了聚焦离子束系统结构示意图。

在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小，再加上负电场（Extractor）牵引的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后用E×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。

3 聚焦离子束曝光技术

3.1 聚焦离子束曝光技术概述

聚焦离子束曝光是一种类似于电子束曝光的技术，它是在聚焦离子束技术基础上将原子离化后形成离子束的能量控制在10～200keV范围内，再对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细线条的图形。其曝光机理是离子束照射抗蚀剂并在其中沉积能量，使抗蚀剂起降解或交联反应，形成良溶胶或非溶凝胶，再通过显影，获得溶与非溶的对比图形。

聚焦离子束曝光技术自发展以来，由于其曝光深度有限以及曝光系统与曝光工艺的复杂性，发展受到了限制。但在实验条件下，聚焦离子束仍可作为制作小批量研究性质的器件的一种工具。真正把聚焦离子束认真地作为一种大规模集成电路生产的曝光工具来开发是20世纪90年代后期的聚焦离子束投影曝光技术。

3.2 聚焦离子束投影曝光技术

根据是否有静电离子投影镜，聚焦离子束投影曝光技术可分为有掩模的1：1聚焦离子束投影曝光和有掩模的聚焦离子束缩小投影曝光两类。

表示的是有掩模的1：1聚焦离子束曝光示意图，它包括离子源、离子束照明系统、镂空掩模和工件台等。它是将平行的离子束照射在镂空掩模上，使掩模上的图像直接映在下面的工件台上，象拍照一样性产生曝光图形。

是有掩模的离子束缩小投影曝光的原理示意图，它包括离子源、离子束系统、镂空掩模、静电离子束投影镜和工件台等。它是在掩模和工件间加一个静电离子束投影镜，使经过掩模的图像按比例缩小到工件台上，从而使曝光图形的线宽得到进一步的缩小，同时也缩小了掩模制作上的缺陷，大大地降低了掩模的制作难度。然而这种掩模也面临着应力和入射离子造成的发热等问题，为此采取了一系列措施，如：对掩模进行掺杂；对膜增加保护层；设计掩模冷却系统及通过有限元分析改进了掩模框架的设置，避免气流对掩模造成振动等。

3.3 聚焦离子束投影曝光技术的优点

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也就是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。而光学曝光的焦深只有1～2μm为，显示了聚焦离子束投影曝光获得的线条图形。线条跨越硅片表面的起伏结构时其线宽没有任何变化。聚焦离子束投影曝光的另一个优点是通过控制离子能量可以控制离子的穿透深度，从而控制抗蚀剂的曝光深度。

4 结论

聚焦的离子束在半导体行业有着重要作用，可用来切割纳米级结构，对光刻技术中的屏蔽板进行修补，制作透射电镜样品，分离和分析集成电路的各个元件，激活由特殊原子组成的材料，使其具有导电性等等。我国的科研单位及高等院校在聚焦离子束曝光技术及其应用方面也作了大量的研究工作并取得了可喜的成绩。我们相信，随着我国微电子工业的发展，聚焦离子束曝光技术及其应用技术也必将被提高到新的水平。