电子束/聚焦离子束双束系统应用介绍

电子束/聚焦离子束双束系统应用介绍 電子束/聚焦離子束雙束系統應用介紹 112陳俊淇、謝健、林俊宏 12國家奈米元件實驗室、國立成功大學光電所 摘要 電子束/聚焦離子束雙束系統目前是一種在製造奈米結構上越來越受重視的技術,此技術包含了兩類製程方式,移除材料(切割、離子輔助蝕刻)和添加材料(佈值、電子/離子輔助沉積)等,這些製程方式的應用將在本文中介紹。本文首先會在前言說明奈米製造應用中聚焦離子束系統的長處與重要性,再來簡介雙束系統的機台與原理,其中也會介紹目前NDL建置的FEI公司NOVA 600之雙束系統製程能力,接著各種製程方法的原理與特定技術在結構下的應用將依續文獻回顧和介紹,最後,對於離子束系統此項技術未來可能發展的方向與改進方式做總結。 關鍵字 聚焦離子束,奈米製造,奈米結構,直寫圖形定義 前言 一般定義奈米結構是指0.1~100nm尺寸下的構造,奈米製造即是以合理成本下大量的建立奈米結構作為組件、元件或是系統的技術,奈米製造其主要的優點在於減少材料與能源的使用、增進元件或是系統的解析和靈敏、高速與低成本的 工業量產等。近來聚焦離子束在製造各種不同應用的奈米結構上深受重視,本文將對聚焦離子束在奈米製造上的能力與應用做個回顧。一般來說聚焦離子束比高能電子束多了一些優點,舉例而言,離子束比電子束的重量重的多,並且可以藉由撞擊硬質材料(例如:半導體、金屬或是陶瓷)來直接轉移圖形,相反的,電子只能侷限應用在軟性的材料(例如:高分子或是阻劑),其特徵尺寸也受到電子回散射 [1](back-scattering)和波繞射極限(wave diffraction)的限制。而離子束由於其橫向的曝光極小,因此可以在特定範圍準確曝光,並且可以在基板上寫出很小的線寬,使其能直接製造奈米結構。也因此聚焦離子束在半導體工業應用上受到重 [2-4]視,尤其在光罩修補、元件修飾、電路除錯、線上檢查等,近來其在製造高品質與精確的奈米圖形上也受到矚目。相對於直寫式圖形,聚焦離子束也有另一 [5]種圖性定義模式稱為投影式(project printing),投影式離子束曾被視為次世代微影技術(NGL)的候選人,不過目前ITRS 發展藍圖已經將其屏除在45奈米以下世代,本文討論主要在直寫式圖形相關技術。 離子束離子源與系統 液態金屬離子源是最為常見的聚焦離子束離子源(LMIS),這些高亮度的離子源可以產生聚焦良好的離子束,甚至小於10nm以下而又擁有足夠的強度來直寫材料,這些液態金屬共同特性是相對低的熔點和低反應性。目前這些金屬包括 [4]Al, As, Au, Be, Bi, Cs, Cu, Ga, Ge, Er, Fe, In, Li, Ni, Pb, Pd, Pr, Pt, U, and Zn. 其 中鎵Ga是聚焦離子束中最常見的金屬離子源。 聚焦離子束的基本系統單元包括離子源、離子光學、基板平台和真空腔體, [6]圖一為液態離子源與聚先進的系統中還包含電子束系統與反應氣體注入系統, 焦離子束系統示意圖,離子經由上層鏡組(Upper Lens)被聚焦與準直成平行的離子束,接著離子束經過質量篩選器(Mass Separator)與漂移管(Drift Tube),質量 +篩選器是將不要的荷質比離子過濾,只讓正確的荷質比的Ga離子通過,下方漂移管裡配有矯正散光的鏡組(Stigmatic Focus Lens),可以聚焦與準直確保離子垂直的前進,下層鏡組(Lower Lens)接在漂移管之後,用來更進一步聚焦與降低束徑,接著是離子束偏移器(Beam Deflector)用來控制最後離子束聚焦在基板的位置。還有很多附屬裝置包括圖一中的氣體注入系統(Gas Nozzle),在聚焦離子束中用來進行離子輔助沉積與蝕刻,而電子束可以用中和電荷累積效應外,更可以搭配離子束加工時做即時影像的監控與觀察,配合電子能量散射X光系統(EDX)可以有效的對材料深度變化作元素成分定性定量分析。通常所有的系統都放置在 -7約10 torr的真空腔體內,這是為了增加離子/電子平均自由徑,避免粒子之間的干擾。 [6] 圖一 聚焦離子束系統示意圖 NDL於2008初建置一台雙束系統,為美商FEI公司的Nova NanoLab 600,此型設備提供了研究人員100奈米以下複雜結構的製造、修飾與特性分析的可行性和彈性,它結合了超高解析的電子束顯微鏡與精準的離子束切割與沉積能力,在原型製造、加工、2D與3D的特性分析上有相當的能力,目前NDL的FIB奈米製造技術可以利用電子束輔助沉積(EBIC)沉積19nm的Pt線,切割矽基材製成25奈米的矽奈米線等,除此之外,本機台還配備五種製程氣體可以沉積Pt、W和SiO,蝕刻矽與二氧化矽的XeF氣體,和蝕刻碳基高分子的氣體(selective 22 carbon milling, SCM),未來可應用這些精密奈米製造技術在元件技術。 切割與離子輔助蝕刻 本質上切割製程包含了三種物理現象,濺鍍(sputtering)、材料的再沉積(redepostion)和非晶化(amorphization)。濺鍍是將材料移除的主要機制,濺鍍的效率通常以濺鍍率(sputter yield)來量化,定義成每個入射離子能將材料中的原子移出表面的個數,通常濺鍍率會隨著離子入射能量增加而增加,然而大部分形況下在高到某一離子入射能量時,佈值的機制會比濺鍍機制強勢,此時增加離子入射能量濺鍍率反而會下降,這個能量通常出現在100KeV,離子穿透材料表面然後會被捕捉在晶格中。大致上來說較重的入射離子或是較低的材料表面鍵結能(binding energy)會有較高的濺鍍率,因為濺渡是一種相轉換過程,一種原子從固態被逐出成為氣態的過程。 一般被濺鍍的原子(中性原子或是離子態)並不是熱力動力學平衡的,結果導致這些氣態原子容易再與旁邊固態表面碰撞時會再凝結回固態,例如在挖溝槽時,有相當比例在底部被濺渡出的原子會在撞擊切割的側壁表面,然後再沉積在側壁。這種再沉積現象可以經由增加曝光的次數(但是維持入射原子總數不變)的 [4]來減低,一般來說再沉積不僅受切割時的圖形掃描方式所影響,其他因素像切割的圖形、逐出原子的動力學和材料的沾黏係數等都會改變再沉積地過程,再沉積會降低切割速率和切割結構的深寬比,造成很難準確的預估最後切割圖形的結構。 如果入射離子的能量或是劑量沒有高達可以濺鍍,結晶材料表面的轟擊區域 可能會發生非晶化現象並且膨脹,例如單晶的矽基材被被鎵離子轟擊,劑量大約 15217ions/cm 時會造成矽表面的非晶化,而濺鍍的低限劑量至少要到10 在10 2[7,8]ions/cm 。在非晶化的過程中,入射的離子大部分都埋入材料中並且可能佔據原本材料原子的晶格位置,這些位移的原子被撞到附近的區域,以矽基材為 [9]例,這些非晶化區域的原子分布密度是比單晶矽的原子低的,這是由於非晶化也會造成材料的膨脹,膨脹造成體積的變化會影響原子分佈的密度,這影響遠比埋入或是佈值的原子對密度的影響來的大許多,膨脹的幅度可以高達數十奈米,這也造成了奈米結構的準確性,是奈米製造中必須考量的一個因素。 [10]+文獻中有報導30KeV的Ga聚焦離子束以一次曝光在高濃度參雜N型單晶矽(100)基板上切割奈米洞矩陣,如圖二左圖中矩陣的洞利用1pA半波高寬(FWHM)10nm的離子束停留2秒所切割而成,如圖中原子力截面圖所示,其結構是V型的,大約20奈米深、50奈米直徑的環型火山口形貌,其中環型的區域就是非晶化的區域,而其V型截面是一次曝光濺渡與再沉積造成的結果,既然離子束是高斯分布,所以周圍的強度會比低中間多,並不足以將材料濺渡,但是足夠造成非晶化,從圖二左圖中火山口的環型區觀察可以看出大概有10nm的材料膨脹,當然這也有可能是再沉積造成的,不過增加上去的材料數量應該遠比膨脹造成影響小的多,隨後這些矽基材圖形可以當成母模來翻印polydimethylsiloxane (PDMS)印模(圖二右圖),提供後續soft lithography的應用。 圖二 奈米洞矩陣(左)與其翻印PDMS (圖右)原子力 [10] 顯微鏡影像 [6,11]+ 除了直接切割洞或是溝槽之外的研究之外,Kim等人利用30 KeV的Ga聚焦離子束切割出量子計算的基本單元,本徵Josephson接面(IJJ)結構,這各結構是由BiSrCuO (Bi-2201)單晶晶鬚切割成Z型堆疊而成如圖三 (a),穿隧面226+δ 2積大約0.01μm(100nmX100nm),這樣的3D結構需要特殊的旋轉平台,其切割步驟如圖三 (b)所示,首先在晶鬚上垂直方向切割出IJJ結構所需的尺寸,然後將樣品平台轉90度,在接面處挖兩各溝槽以完成接面的形狀,利用這樣的技術,聚焦離子束配合旋轉載台可以製造奈米等級的薄膜或是單晶堆疊結構。 圖三 堆疊奈米結構: (a)本徵Josephson接面顯微鏡影像, [6,11] (b)聚焦離子束加工步驟 另一方面,分子電子(molecule electronic)通常利用單一各分子當作單元,常常需要奈米等級間隙的電極來連接奈米等級的分子與微米等級的電路系統,這樣等級的電極間隙要達到分子的大小等級是相當困難的,因為通常分子的大小都 [12]小於10nm,現今的工業上微影技術還無法達到這樣的解析。然而Nagase等人 +曾經在44nm厚的Ti遮罩上利用30 KeV的Ga聚焦離子束直寫在70nm厚的金膜 上,其製程步驟如圖四左,先利用聚焦離子束在Ti上切割出約12nm的間隙,再 +蝕刻轉移圖形到金膜上,接著去除Ti遮罩,最後可在金膜上得到5nm的藉由Ar 間隙(圖四右)。 [12] 圖四 (左) 聚焦離子束奈米間隙製程步驟,(右)奈米間隙顯微鏡影像 除了利用離子撞擊材料進行切割外,離子輔助蝕刻也是另一種移除材料的製程,主要是利用離子來啟動基材表面與其吸附的氣體之間的化學反應用以提高移除材料的速率,藉由在切割過程中引入前驅反應氣體,材料移除的機制改變,隨之切割的形貌也跟著改變,為了有更好的製程控制,前驅反應氣體與基材之間的自發反應必須越低越好。不像切割製程,離子輔助蝕刻僅能適用在特定的基材材料,因為材料必需要能與前驅反應氣體形成揮發態的產物,通常使用的反應氣體有Br、Cl、I和XeF等,用來蝕刻特定的金屬和絕緣材料,而水氣通常用來蝕2222 刻碳基的高分子材料,也有特殊的混合氣體用以蝕刻較難形成揮發態的銅,例如: /NH,然而還有許多材料,包括金、鉑和大多數的金屬氧化物尚未開發出有Cl23 效的離子輔助蝕刻用氣體。 佈植與離子輔助沉積 聚焦離子束不單純只有移除材料的能力(切割與蝕刻)還有添加材料的製程(佈植與沉積),以下我們將對佈植與沉積的製程應用作介紹,其中一項被廣泛研究的是在矽單晶(100)的基材上利用聚焦離子束佈植後搭配濕蝕刻可以製造出懸 [13]+空結構,懸空的圖形先利用30 KeV的Ga聚焦離子束以100pA照射佈植在矽材料上,被佈植的區域形成硬質遮罩,接著利用鹼性的溼蝕刻液如氫氧化鉀40%在60?對單晶矽做非等向性選擇性蝕刻,沒被照射的區域蝕刻約4nm/sec,而照射區幾乎沒有任何改變,而遮罩的厚度取決於入射離子的穿透深度,可以利用入射 22能量來加以控制,最後完成20-30nm厚、4μm和1μm的懸空方形結構,值得注意的是溼蝕刻的時間可以控制佈植區與底下N型矽基材的接觸面積,經過後續的 +回火處理可以活化佈植的Ga,形成奈米等級的PN接面結構(圖五右)。 圖五 (左) 利用聚焦離子束佈植特定區製造方型懸空結構,(右) [13] 回火後懸空結構顯微鏡影像 類似的現象也發生在高分子的材料上,聚焦離子束也可用來佈植在高分子的 +阻劑上來增加後續蝕刻製程的耐抗性,Arahak等人利用30 KeV的Ga聚焦離子 -2 2束以1.17x10C/cm的劑量佈植在Shipley SPR660的阻劑上,如圖六左所示, [14]形成GaO抵擋後續的O RIE蝕刻製程,這個過程一般被稱為「石墨化232 (graphitization)」,可以讓光阻硬化成遮罩方便後續的乾式O蝕刻製程,SPR6602 阻劑在RIE後可得高深寬比的100nm光阻線(圖六右),這項製程技術意味著藉由石墨化可以使用非等向蝕刻製程未來可以將聚焦離子束整合到標準的微影製程。 圖六 (左) 聚焦離子束佈植光阻硬化製程步驟,(右)RIE後奈米光阻 [14]線顯微鏡影像 [15]Prevel 除了當成遮罩外,聚焦離子束佈植的區域也可以作為成核的中心, +研究利用35KeV的Ga聚焦離子束以6pA電流約5nm離子束徑點矩陣方式照射在石墨表面,然後利用雷射蒸鍍金膜在石墨上,蒸鍍過程中金的蒸氣是高度不平衡的狀態,當碰觸到被離子照射的表面時被捕抓下來形成金奈米粒子,這些奈米粒子的形狀、大小和圖形跟離子束的劑量與照射形貌有著很大的相關性,文獻中製造出300nm週期小於100nm粒徑的奈米金矩陣,這項研究顯示利用聚焦離子束來排列bouttom-up的奈米結構相當有潛力。 聚焦離子束也可以用來當作沉積材料的工具,離子輔助沉積是利用離子能量來啟動和侷限化學氣相沉積(CVD)的進行,聚焦離子束系統裡需要一個氣體注入系統(Gas injection system),可以提供多樣的有機金屬或是氣體前驅物,例如: WF (or W(CO))、CHFOAu、(CH)NAlH、CHPt和TMOS+O 6677623339162(TMOS=tetramethyloxysilane) 等等,用來產生W、Au、Al、Pt和SiO的薄膜沉2積,氣體噴嘴大都控制在離表面高約0.1~1mm與基材角度成30~60度。圖六為NDL利用之聚焦離子束電子輔助沉積Pt奈米線在絕緣層SiO之上,其截面尺寸大2 [16]約在19nmx20nm。Lin等人利用Pt-based有機金屬氣体當前驅物來沉積Pt奈米結構作為奈米材料的內連線,例如奈米碳管和單分子,也研究了這樣的奈米內連線的電磁特性,發現了一各相當小的殘留電阻比率特性,而且其Pt奈米線的Debye溫度跟一般純Pt有顯著的不同,這些都顯示出離子輔助沉積的Pt奈米線不規則的特性。在半導體工業上,離子輔助沉積常被用來做電路的修補與編輯,也 有在光罩上修補吸收層的應用,進一步配合聚焦離子束的切割功能,聚焦離子束可以在原型電路設計上修改電路成為功能相當強大的工具。 圖六 19奈米Pt奈米線顯微鏡影像 除了平面的沉積之外,離子輔助沉積還可以製造3D的結構,離子輔助沉積能製造3D圖形的關鍵在於懸空圖形的定義能力,藉由離子束偏儀器控制離子束沉積在xy平面,z方向則由沉積速率控制,如此ㄧ來靠著曝光的重疊(Overlay)就可以控制懸空的圖形定義。圖七是NDL利用聚焦離子束離子輔助沉積一3D奈米結構,螺旋線寬約80nm,螺旋區域直徑約500nm,其製程條件為停留時間8ms,曝光時間40s,離子束電流1.5pA,藉由改變聚焦離子束的掃描速度、沉積速率 [17]與離焦距離,用簡單的環形圖案即可控制不同的螺距。Matsui等人曾經利用 +芳香族化合物(aromatics hydrocarbon)前驅氣體以30KeV的Ga聚焦離子束沉積Diamond-like材料的3D奈米結構。 圖七 3D奈米結構顯微鏡影像,螺旋奈米線 總結 聚焦離子束在奈米製造的研究方向偏向越來越複雜的奈米結構,聚焦離子束奈米製造的本質在於如何控制正確奈米等級的離子束電流、大小與能量在特定的位置移除或是添加材料,如此一來,精準的移動載台就是個關鍵,尤其是在氣體注入系統和切割時要能維持正確的位置,相對於聚焦離子束的精準,載台更是要在移動與旋轉之間有次奈米(sub-nano)的解析能力,這是機台製造的挑戰。而另一個所有直寫式機台共同的問題是如何做奈米圖形定義時又能維持高的產率(throughput),聚焦離子束在作圖形定義時都是一次都以相同的離子束電流(可以看成離子束大小)進行定義,如果可以設計成像高階的shape-beam電子束微影設備一樣,根據所定義的圖形自動切換不同的離子束大小,可以大幅縮短使用小的 離子束作圖形定義的時間。最後不管是能定義到多小的奈米結構,未來的趨勢還 是得整合到微米甚至更大尺寸的系統或元件來,因此如何利用聚焦離子束將奈米 或量子結構搭配其他微影技術的mix-matching也將是聚焦離子束技術的發展方 向。 參考文獻 1. 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