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2聚焦離子束設(shè)備的功能及應(yīng)用基于以上原理,聚焦離子束可實(shí)現(xiàn)多種功能。金屬離子源(常用室溫下為液態(tài)的鎵作為離子源)產(chǎn)生的離子束經(jīng)抽取、加速以及聚焦后到達(dá)樣品表面可以形成很小的束斑(在最佳工作狀態(tài)下可以使其分辨率達(dá)到5nm),通過對其產(chǎn)生的二次電子和二次離子的收集,便可完成高分辨率成像,使精密定位得以實(shí)現(xiàn)。特別是對于絕緣樣品,二次電子產(chǎn)額很低,用掃描電鏡分析時(shí),須在表面噴涂上導(dǎo)電層,而FIB可以進(jìn)行二次離子成像,則分析介質(zhì)層時(shí)可以直接得到較清晰的圖像,無須對樣品作預(yù)先處理。蝕用作離子源的金屬元素的原子量往往較大(如鎵的原子量為6972,其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量),當(dāng)高能離子束(常為幾十keV)轟擊樣品時(shí),其動(dòng)量會傳遞給樣品中的原子或分子,因而會產(chǎn)生濺射效應(yīng)。若選擇合適的離子束流,可以對不同材料的樣品實(shí)施高速微區(qū)刻蝕。類似于集成電路工藝中的干法腐蝕,如將一些鹵化物氣體直接導(dǎo)入樣品表面,在離子束的轟擊下就可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)刻蝕。其原理是用高能離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變?yōu)榛钚栽印㈦x子和自由基,這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物是揮發(fā)性的,當(dāng)脫離樣品表面時(shí)立即被真空系統(tǒng)抽走。且這些腐蝕氣體本身不與樣品材料發(fā)生作用,而由離子束將其離解后,才具有活性,這樣便可以對樣品表面實(shí)施選擇性的刻蝕(用氟化物氣體腐蝕硅,用氯化物氣體腐蝕鋁)。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(增強(qiáng)刻蝕法)在刻蝕速率、材料的選擇性、深孔側(cè)壁的垂直性上較純離子束刻蝕都有了大幅度的提高。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn):在較低的刻蝕電流下,增強(qiáng)效果更明顯,隨著離子束流的增大,增強(qiáng)效果逐漸減弱。對于某些材料如:Si、Al、GaAs等,反應(yīng)刻蝕有著較高的增強(qiáng)系數(shù)(大約在20倍左右);而對于某些氧化物材料如:SiO2、Al2O3等增強(qiáng)效應(yīng)不是很明顯[4、5]。除了利用離子束的濺射作用實(shí)現(xiàn)刻蝕功能外,還可利用離子束的能量誘生化學(xué)反應(yīng)來淀積金屬和介質(zhì)層(如:Pt、W、SiO2等)。其原理是將一些金屬有機(jī)物氣體(或含有Si-O鏈的有機(jī)物氣體)噴涂在樣品上需要淀積的區(qū)域,當(dāng)離子束聚焦在該區(qū)域時(shí),離子束能量使有機(jī)物發(fā)生分解,分解后的固體成分(如Pt或SiO2)被淀積下來,而那些可揮發(fā)的有機(jī)成分則被真空系統(tǒng)抽走。有關(guān)研究表明:在較低的離子束流下由于金屬有機(jī)氣體未被充分分解,因而淀積速率較低;隨著離子束流的增大,分解效率逐漸增高,淀積速率也相應(yīng)加快。在合適的束流下所有氣體幾乎被完全分解利用,此時(shí),淀積速率達(dá)到最大值;若離子束流繼續(xù)增大,與氣體反應(yīng)后多余的束流就會對已淀積好的區(qū)域產(chǎn)生濺射作用,反而使淀積速率逐漸減慢。因此,要做好淀積圖形,離子束流的選擇是至關(guān)重要的參數(shù)。對于同樣的材料,離子束對其不同晶面的二次電子、二次離子的產(chǎn)額有較大的差別,造成各晶面所形成的圖案灰度深淺不一。利用這一原理可以對多晶材料(如金屬)薄膜的晶粒取向、晶界的分布和取向作出統(tǒng)計(jì)分析。基于上述功能,FIB技術(shù)可開發(fā)出多方面的應(yīng)用:首先,它的精密定位功能配以離子束刻蝕功能就能實(shí)現(xiàn)精密定位制樣,結(jié)合SEM、EDX、TEM、SIMS等便可做微區(qū)剖面形貌和組分分析,精度可達(dá)亞微米級。它對器件特定位置能從多種角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,從而極大地支持了器件工藝評價(jià)和失效分析工作。利用其微加工和定位功能輔助TEM制樣,大大縮短了制樣時(shí)間,提高了TEM制樣和微分析的成功率,使傳統(tǒng)的TEM分析周期從1周以上縮短至數(shù)小時(shí)。使得幾納米的MOS集成電路中的柵氧化膜和EEPROM隧道氧化膜的TEM觀察成為可能。另外,它還能對集成電路工藝鋁線情況實(shí)行監(jiān)控,保證工藝的良好實(shí)施。是目前在幾十納米分辨率的水平上觀察分析鋁材料微結(jié)構(gòu)最有效的方法之一。同時(shí),由于X光掩模板的修復(fù)面臨非常小的橫向尺寸和存在吸收問題,因而聚焦離子束以其獨(dú)有的特性成為目前性能最好的實(shí)施工具。它在微區(qū)精密離子注入上的應(yīng)用使無掩模納米級工藝生產(chǎn)變?yōu)榭赡堋?/section>更值得一提的是,將FIB的離子濺射和淀積功能結(jié)合在一起可以對微電路進(jìn)行修補(bǔ)?？芍苯訉δ骋浑娐穯卧媒饘倬€引出至表面并形成相應(yīng)的測試腳以進(jìn)行電學(xué)量測試。既可切斷任意一層的互連線,也可重新進(jìn)行互連,這些應(yīng)用將大大縮短集成電路的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)費(fèi)用。隨著器件尺寸的減少和密度的增加,現(xiàn)有的在線和離線分析設(shè)備受到了諸多挑戰(zhàn)。一方面,集成電路工藝進(jìn)入深亞微米領(lǐng)域,器件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,且允許沾污程度也進(jìn)一步下降,這使分析設(shè)備的空間分辨率和雜質(zhì)探測靈敏度等指標(biāo)面臨挑戰(zhàn);另一方面,微電子行業(yè)激烈的競爭,產(chǎn)品更新?lián)Q代速度不斷加快對整套分析系統(tǒng)獲取信息和分析結(jié)果乃至完成改進(jìn)的整個(gè)循環(huán)時(shí)間也存在巨大沖擊。而FIB技術(shù)無疑在針對這兩方面的挑戰(zhàn)上都顯示了超強(qiáng)的能力,為新的集成電路產(chǎn)品提供了商業(yè)上的競爭優(yōu)勢。操作簡便,功能強(qiáng)大始終是微電子設(shè)備發(fā)展的方向。因此聚焦離子束加上場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)的雙束系統(tǒng)便集合了二種設(shè)備的優(yōu)勢。單獨(dú)的聚焦離子束系統(tǒng)在完成大束流刻蝕和小束流觀察形貌的過程中需要不停地變換束流強(qiáng)度,不可避免地影響到束流的校準(zhǔn)。在雙束系統(tǒng)中,用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)來實(shí)現(xiàn)高分辨率成像,由于采用電子束作為一次束,不但大大提高了成像的質(zhì)量,而且將觀察對樣品的損傷降到了最低限度,同時(shí)避免了FIB反復(fù)變換束流強(qiáng)度所帶來的誤差。3.2聚焦離子束與二次離子質(zhì)譜儀的結(jié)合二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)是通過收集二次離子來分析樣品元素成分的設(shè)備。具有很高的深度分辨率和雜質(zhì)分析靈敏度。聚焦離子束本身掃描就會產(chǎn)生大量的二次離子,因此在FIB的樣品室上配以二次離子組分的探頭并輔以質(zhì)譜系統(tǒng),就能在FIB進(jìn)行缺陷觀測、樣品制備、失效分析工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品或雜質(zhì)顆粒的成分分析。這種實(shí)時(shí)地分析樣品避免了一般質(zhì)譜分析時(shí)重新定位和沾污的麻煩,以Ga2+作為離子源的FIB/SIMS,其橫向分辨率可降低到01m,而EDS或以Cs2O作離子源的SIMS很難達(dá)到亞微米的分辨率。FIB/SIMS的深度分辨率可達(dá)30nm,在對輕元素的分析上與傳統(tǒng)的SEM/EDS組合相比,都有很大的優(yōu)勢。綜上所述,聚焦離子束技術(shù)顯示了巨大的應(yīng)用潛力,它的精確定位、顯微觀測和微細(xì)加工功能使其在微電子領(lǐng)域中扮演著重要的角色。盡管現(xiàn)在我國對FIB的了解、使用和研究還剛剛起步。位于復(fù)旦大學(xué)內(nèi)的國家微分析中心,自引進(jìn)了我國首臺聚焦離子束設(shè)備以來,已為機(jī)關(guān)單位進(jìn)行了大量分析和加工服務(wù),取得了良好的效果。隨著我國微電子工業(yè)的發(fā)展,聚集離子束設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)也必將提升至一個(gè)新的水平。
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