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聚焦离子束(FIB)微纳加工技术增强刻蚀材料及结构

kaikai 2023-11-7 10:25:44
聚焦离子束(FIB)是一种微纳加工技术,其基本原理与扫描电镜(SEM)相似,利用离子源发出的离子束经过加速聚焦后作为入射束,高能量离子在和固体表面原子发生碰撞时可溅射剥离固体原子,所以FIB更是作为一种工具直接处理微纳米结构。FIB与气体注入系统(GIS)相结合,可协助化学气相沉积、微纳米材料及微纳米结构的定位诱导沉积与生长或协助选择性增强刻蚀具体的材料及结构。


聚焦离子束在微纳米结构加工制造中的实际应用中,由于FIB自身的特点和被加工材料等因素的影响,最终加工制造出来的微纳米结构有时也会出现一些缺陷,其中包括:

倾斜侧壁

在聚焦的束斑内,离子呈现出高斯分布特征,越靠近束斑中心,离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品,将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加,截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同,截面通常会有1.5~4°的锥度。要想得到与样品表面完全垂直的截面,通常采用将样品人为倾斜特定的角度,以弥补截面与离子束入射角度之间的偏差。另外,还可以采用侧向入射的方式进行切割,通过定义刻蚀图案来控制截面与表面的角度,灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。

窗帘结构

用聚焦离子束处理试样断面时,另一个要注意的问题就是断面是否平整,断面上有时有竖直条纹产生,这就是所谓窗帘结构。窗帘结构的形成和聚焦离子束切割所固有的倾斜侧壁有着密切的关系,当试样表面存在形貌起伏或者组成不同时,刻蚀速率不同,窗帘结构也随之形成。

对于表面形貌起伏造成窗帘结构的问题,解决方法一般是采用FIB辅助化学气相沉积的方法在试样表面生长保护层来平整试样表面;还可通过改变离子束入射方向在无起伏表面上进行切割来避免其效应。对成分差异导致窗帘结构可采用摇摆切割方式实现离子束多角度入射消除。

非均匀刻蚀

聚焦离子束能够直接、快速地对微纳米平面图形结构进行加工与制造,而对非晶体材料或者单质单晶材料进行FIB刻蚀往往能够获得很光滑的轮过形状与底面,而对多晶材料及多元化合物材料而言,因各晶粒取向的差异,不同晶粒区域刻蚀速率会有所不同,往往表现为非均匀刻蚀且底面不平。

对多晶材料刻蚀过程中产生的非均匀性加工缺陷可通过提高离子束扫描各点停留时间进行改善。聚焦离子束对固体材料进行轰击,在固体材料原子溅射逸散过程中会有一部分原子返回到试样表面,这一过程叫做再沉积。增加离子束在各点的停留时间将提高再沉积效应,再沉积原子落在凹陷处的概率较高,能起到平坦化作用,提高刻蚀底面平整性。


左图为未使用XeF2时离子束切割后的截面流水效应,右图使用XeF2辅助刻蚀,切割后表面就比较平整。

对于多元化合物材料产生的非均匀刻蚀缺陷,通常可以采用气体辅助增强刻蚀的方式,使逸出较慢的原子与反应气体形成更低熔点的化合物而被快速刻蚀去除。

反应气体残留污染

聚焦离子束加工结合气体注入系统可以实现辅助化学气相沉积,定位生长特定的纳米结构,这种方法被称为聚焦离子束诱导沉积。但是,反应气体残留污染是一个不容忽视的问题,同时,反应气体也可能残留在样品表面造成污染。

去除反应气体残留污染的方法通常是对样品进行加热使其更快脱附,也可以采用离子轰击进行刻蚀去除。

结论

聚焦离子束技术由于具有直接、灵活等优点而逐步被应用于许多领域。各种微纳米结构在加工和制造过程中有时会出现加工缺陷,对其物理根源进行解剖并对其缓解或去除进行研究,能改善聚焦离子束加工性能并尽可能获得与期望设计一致的微纳米结构。


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