ИССЛЕДОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАНОСТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ СФОКУСИРОВАННОГО ИОННОГО ПУЧКА (FIB-ТЕХНОЛОГИЯ)

Основы FIB-технологии

Технология фокусированного ионного пучка (FIB - Focused Ion Beam) в последнее время получает всё более широкое распространение [9, 10]. Возможности прецизионного травления и наблюдения оказываются востребованными при работе с такими микро- и нанообъектами, как интегральные микросхемы (ИМС), МЭМС, сенсоры, разнообразные покрытия и многослойные структуры [8, И, 12]. При этом решаются задачи по исследованию внутренней структуры, определению дефектности, реконструкции и настройке приборов. Оборудование FEB-технологии последнее время стало доступным многим исследовательским учреждениям России (рис. 6.1) и в основном представлено установками Strata 200, Quanta 3D, Helios Nanolab.

Рис. 6.1. Установка фокусированного ионного пучка Strata FIB 205

Современная технология фокусированного ионного пучка характеризуется такими особенностями, как способность фокусировки ионного зонда до диаметра 5 нм при ускоряющем напряжении 30 кВ. Достаточно эффективное распыление N_i2 / Nn > 2 и относительно малая глубина проникновения ионов в твёрдое тело 25±8 нм позволяют сохранять свойства обрабатываемого материала. Возникновение при взаимодействии ионного пучка с веществом вторичных ионов и электронов позволяет вести микроскопическое наблюдение. Причём по сравнению с электронной микроскопией область рассеяния пучка внутри твёрдого тела оказывается значительно меньше, что повышает разрешение при просмотре. Способность ионного пучка взаимодействовать с веществом в газообразном состоянии дало возможность проводить ионно-стимулированное химическое травление и осаждение. Автоматизация управления позволила реализовать сложные алгоритмы травления 3 D-структур и произвольного рельефа.

Контроллеры

Видеообработка

Персональный компьютер

Детектор

Пикоамперметр

Жидкометаллический источник Ga Экстрактор Апертура приёма луча

Линза 1

Изменяемая апертура

Электрод бланкирования луча

Апертура бланкирования

— Октуполь

Линза 2

Газовая инжекционная система

Столик с образцом

Рис. 6.2. Схема установки остросфокусированного ионного пучка

На рис. 6.2 представлена обобщённая схема установки FIB. Основой установки является таллиевый жидкометаллический источник ионов. Разрешающая способность технологических операций травления и осаждения находится на уровне 25-100 нм. Переход от просмотрового (микроскопического) режима к технологическому осуществляется варьированием величины ионного тока в диапазоне от 1 до 20 000 пА. Базовый автоматически управляемый механический стол, на котором закрепляется образец, обеспечивает точность позиционирования 0,1 мкм.

Создание поперечных сечений (кросс-секций) исследуемых образцов является одной из основных технологических операций. Последовательность действий показана на примере препарирования интегральной микросхемы (ИМС) (рис. 6.3). Изображение формируется во вторичных электронах при сканировании ионным пучком. При формировании изображения потенциальный контраст создаёт светлое свечение металлических шин и проводящих участков (рис. 6.3, 6). Диэлектрические области выглядят тёмными, так как ушедшие вторичные электроны оставляют сильный положительный заряд. Кристаллоориентационный контраст, основанный на эффекте каналирования, позволяет различать кристаллиты с различной ориентацией (на рис. 6.3, в видны в слоях металлизации).

Рис. 6.3. Последовательность препарирования ИМС: а — выбор места для реза, б - травление поперечного сечения, в - просмотр деталей [11]

Технология остросфокусированного ионного пучка предоставляет широкие возможности по созданию разнообразных элементов микросистемной техники. Двумерное (2D) и трёхмерное (3D) ионно-лучевое микрофрезерование является гибким оперативным процессом. Так называемый «шаблон» травления создаётся встроенными программными средствами и задаётся в векторной или растровой форме. Микрошестерёнка (рис. 6.4) вытравлена на глубину в подвешенной балке толщиной 5 мкм из карбида кремния - алмазоподобного материала, чрезвычайно устойчивого к внешним воздействиям. Время, затраченное на изготовление, не превышает 30 мин.

Рис. 6.4. Карбидокремниевая микрошестерёнка диаметром 20 мкм [12]

Также изготавливались капилляры, подвешенные балки, струны, эмиссионные острия [10, 11].

Была поставлена задача определить максимальную точность, получаемую при обработке фокусированным ионным пучком. В первую очередь точность зависит от диаметра ионного пучка, который определяется задаваемым током, т.е. выбираемой апертурой. На рис. 6.5 показана зависимость диаметра пучка d от тока и получаемая при этом точность обработки L для структур - минимально узких канавок и L' для прямоугольных ямок. Экспериментально установлено, что точность обработки 50-70 нм достигается при минимальных рабочих токах 10-30 пА, но это может привести к большим временным затратам. Поэтому целесообразно разбивать процесс на две стадии: грубой и быстрой обработки, а затем прецизионной. Кроме того, точность травления очень сильно зависит от настроек фокусировки, стигматора и соосности апертур.

Рис. 6.5. Зависимость разрешения L и диаметра ионного пучка d от тока пучка

Примером достижения высокой точности обработки может служить заострение зонда атомно-силового микроскопа (рис. 6.6). Объект обработки представляет собой отдельно стоящую кремниевую структуру в виде иглы. Из серии образцов минимальный получаемый диаметр составлял 70 нм.

Изготавливались также Si- и SiC-структуры для автоэлектронной эмиссии (рис. 6.7, 6.8). Измеренный ток одиночного острия,

сформированного в SiC подложке, находился на уровне 400 мкА при приложенном напряжении 30 В, расстоянии до анода 0,5 мкм и радиусе закругления острия 35 нм.

Рис. 6.6. Заострение зонда АСМ [10]

Рис. 6.7. Автоэмиссионное остриё, сформированное на Si [11]

Рис. 6.9. Измерение разводки ИМС [11]

Рис. 6.8. Матрица 10x10 автоэмиссионных острий [11]

Одним из важных применений FIB является реконструкция ИМС [8, 12]. При разработке и производстве ИМС иногда возникают ошибки, которые могут быть устранены путём перекоммутации электрической схемы (рис. 6.9). В этом случае восстанавливается работоспособность исправленных блоков ИМС или меняется их режим работы, позволяя провести дальнейшее тестирование. Выведение тестовой контактной площадки и измерение внутреннего сигнала также позволяют определить неисправность. В итоге удаётся уменьшить количество циклов отладки и пробных изготовлений ИМС.

Добавление различных химических реагентов в область воздействия ионного пучка позволяет получить избирательное химическое травление или осаждение [13]. Вещество в газообразном виде подаётся через тонкую трубку непосредственно к месту реакции, что позволяет сохранять в камере с образцом вакуум на уровне 10 ²-10 ³ Па, достаточный для растровой ионной мик роскопии (ионная колонна остаётся всегда при 10 ⁶ Па). Реализуется селективное травление диэлектриков с участием реагента XeF₂. При этом избирательность травления SiO₂ по сравнению с А1 составляет 2-4 раза. Характерным примером процесса является снятие пассивации с ИМС (рис. 6.10). Противоположным процессом является селективное травление металлов с участием 1₂, где селективность достигает 20/1 для Al/SiO₂.

Максимальная избирательность достигается при определённой оптимальной плотности тока, когда все молекулы реагента активируются ионным пучком, но составляющая чистого ионного травления ещё мала. Например, для указанных процессов плотность тока выбирается 3-10 nA/мкм² при типичной области обработки 10х 10 мкм.

Локальное осаждение Pt позволяет создавать металлические шины (рис. 6.11) или участки с проводящим покрытием. Осаждение осуществляется разложением металл-органического соединения. Типичное сопротивление составляет 10-20 Ом/п при толщине 1 мкм, что вполне достаточно для создания коммутации микроприборов.

Рис. 6.10. Селективное удаление диэлектрика между металлическими проводниками [13]

Рис. 6.11. Локальное осаждение Pt и её поперечный срез [13]

Состав получаемого слоя Pt включает до 60 ат.% углерода и до 10 ат.% галлия. Режим осаждения диэлектрика SiO_v позволяет формировать локальные электрически изолирующие слои, объёмные структуры, пассивировать поверхность.

Воздействие фокусированного ионного пучка на поверхность полупроводникового материала заключается в аморфизации приповерхностного слоя толщиной до 50 нм и внедрении ионов галлия до уровня 1%. Шероховатость не превышает 10 нм при определённых режимах (травление по касательной).

Использование технологии фокусированного ионного пучка даёт значительные преимущества при создании экспериментальных образцов приборов, отработке конструкции и проверке работоспособности изделий, а также при единичном или мелкосерийном производстве.

Процессы обработки, проводимые ионно-лучевыми методами, позволяют достичь высокой локальности и селективности, при гибкости процесса управления в пространстве и во времени. Кроме того, имеется возможность подвергать обработке любые материалы (карбид кремния, алмаз) и их композиции с другими материалами, что позволяет получать структуры с ранее недостижимыми эксплуатационными параметрами в твёрдости, теплопроводности, химической стойкости и других свойств.