提高石英表面聚焦離子束微納直寫精度的方法

王 偉， 龐陳雷， 楊 青，， 佘 玄， 吳 蘭， 李 強

（1.浙江大學光電科學與工程學院現代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027；2.之江實驗室超級感知研究中心，杭州 311121）

0 引 言

聚焦離子束（FIB）加工技術是一種多用于半導體工業領域及微納研究領域的儀器［1-4］。其原理是離子發射源發射出離子，經離子光學系統（由靜電透鏡、靜電偏轉器、孔徑光闌等組成）聚焦為精細離子束入射固體靶材（樣品）表面，固體靶材表面原子由于傳遞效應獲得離子束的入射能量，能量積累導致表面原子逃逸出固體表面，達到濺射剝離的目的。在濺射剝離刻蝕過程中，除入射離子外，還存在被濺射逸出固體表面的二次離子及二次電子等帶電粒子。因此樣品表面存在大量帶電粒子，其中少量帶電粒子可以跟隨樣品艙室內少量氣體被多級真空泵抽離樣品艙室，部分帶電粒子則基于樣品本身的導電特性而疏導離開刻蝕區域［2，5］。如果樣品導電性不好，刻蝕時產生的大量帶電粒子會停留在刻蝕區域造成局域電荷積累，積累至放電閾值時將發生放電現象。這種電荷的積累以及放電效應會形成電磁場，對入射離子束的正常運作造成干擾，導致實際刻蝕微納圖形產生畸變。因此FIB 刻蝕工藝要求樣品具備導電特性，如金、銀、硅等常見導電性良好的材料［6-8］。通常認為FIB 無法直接在固態絕緣體材料表面進行微納加工。

固態絕緣材料廣泛應用于電子技術、激光、紅外、聲學以及其他新技術領域，因此在固態絕緣材料表面進行微納結構制備表征是當代應用需求的必要制備工藝。實際應用中，當FIB 加工絕緣材料的需求出現時，常用的解決方案是通過離子濺射儀等儀器在樣品表面制備碳、金、鉑等導電金屬薄膜，從而解決非導電樣品在電鏡表征過程中由于表面電荷積累造成放電的問題。但是材料本身的物理特性決定了基于微納米結構器件的性能，如果在材料表面添加金、碳等附加導電薄膜將對器件的性能產生影響，對于局域要求禁止導電的樣品并不合適。另一種解決方案是濺射時使用電子束對離子束電荷進行中和［9-10］，從而獲得與設計方案一致的圖案。然而這類方法要求機器配置復雜昂貴的電子發生器，對科研工作者的研究條件有了更加苛刻的要求。

本文設計了一種帶有微米尺度通孔的單晶硅片（簡稱微窗硅基蓋板），嘗試將微窗硅基蓋板覆蓋于非導電襯底表面，離子束穿過通孔聚焦于絕緣襯底表面，轟擊絕緣襯底，濺射出的帶電粒子通過蓋板傳導擴散，弱化局域電荷積累的影響，從而達到改善聚焦離子束在絕緣襯底表面進行微納結構加工效果的目的。

1 微窗硅基蓋板的制備

實驗設計之初考慮到通孔底孔越小，通孔邊緣與濺射區域距離越短，越有利于帶電粒子的傳導擴散。然而蓋板需要一定厚度才可平整（不平整的蓋板與樣品表面存在空隙，不利于電荷的導流，本實驗中使用的硅片最薄為200 um），當通孔孔徑過小時，電子束與離子束轟擊底孔環繞的待濺射區域時產生的二次電子易被通孔側壁阻擋，使得信號接收器無法捕獲二次電子或二次離子，導致成像亮度對比度過暗，且濺射刻蝕的材料無法被多級真空系統抽取離開材料表面，導致再沉積加重。因此考慮采用整體呈廣口喇叭形結構的通孔，既有利于電子束或離子束轟擊底孔區域絕緣材料時產生的二次電子被信號接收器捕獲成像，又利于材料的濺射剝離。

研究中采用單晶硅濕法各向異性腐蝕工藝制備頂孔與底孔孔徑相差數百μm 的倒金字塔形通孔，作為試驗中起到傳導擴散電荷作用的微窗硅基蓋板。由于底孔孔徑過大不利于電荷的消散；過小則會限制微納加工的區域，為此本工作中采用底孔孔徑介于10 ～50 μm的倒金字塔通孔，符合常規FIB 二維陣列圖形加工區域需求。

所述單晶硅濕法各向異性腐蝕工藝包括［11-12］：首先將雙面拋光厚度為200 μm的n 型硅片（100 晶面）雙面氧化（SiO2薄膜，膜厚60 nm）后再高溫淀積氮化硅薄膜（膜厚20 nm）形成腐蝕掩膜。然后任選一面使用光刻和等離子濺射方法刻出待腐蝕區的矩形窗口（由于倒金字塔側壁傾斜角度固定，因此矩形窗口尺寸和單晶硅厚度決定底口尺寸，此工藝可制備任意開口尺寸的倒金字塔型凹坑）。隨后將硅片浸于30%濃度的KOH腐蝕液中，并放置于80 ℃的熱臺上恒溫加熱5.5 h。如圖1 所示為腐蝕完成后倒金字塔通孔的SEM俯視圖，整體為底口邊長為13μm 的正方形倒金字塔形凹坑。為防止氮化硅與氧化硅膜對硅片導電特性有影響，實驗中可使用氫氟酸去除氮化硅與氧化硅膜層。

圖1 制備倒金字塔型通孔流程圖（a）及成品的SEM俯視圖（b）

試驗中，所采用絕緣材料為石英（SiO2）基底。濺射前，使用導電膠帶將覆蓋有微窗硅基蓋板的石英基底固定于樣品臺表面，并利用導電膠帶連通微窗硅基蓋板與樣品臺進行接地處理，樣品放置方式的俯視圖及截面圖如圖2 所示。

圖2 微窗硅基蓋板、石英基底和樣品臺層疊固定結構示意圖

具備高分辨率掃描電子顯微鏡成像（SEM）和聚焦離子束微納加工（FIB）功能的雙束系統（Zeiss_Auriga_40）作為本次試驗中用于離子束對絕緣襯底的濺射刻蝕的設備。該設備配備液相金屬鎵離子源（Ga＋），試驗中選取合適的束流對典型性結構進行加工。濺射完成后將硅片拆除，使用離子濺射儀對絕緣樣品表面進行噴金處理（60 s，厚度約50 nm），最后使用SEM 采用二次電子成像模式（SE2 成像模式）對濺射結果進行成像分析。

2 試驗結果與分析

FIB在半導體、導體表面微納加工的典型結構為線槽，所以本試驗中選取線槽結構為試驗結構，線槽寬度選取較小的納米尺度。對于納米尺度的線槽，試驗中采用30 kV 加速電壓下1 pA 和10 pA 兩檔有代表性的束流進行濺射刻蝕。為避免濺射時再沉積導致線槽底部出現斜坡，束流停留時間設置為最小值1 μs，束流步進路徑采用系統默認的標準刻蝕模式。為驗證試驗的可重復性，各個線槽刻蝕2 或3 個周期，每周期結構按照從左至右的順序依次完成，刻蝕方向自下而上。

首先在硅基蓋板表面試刻。10 pA 束流進行打點調試后聚焦于硅基蓋板表面，在空白區域使用上述參數試刻線槽結構，線槽寬度設置為0.2 μm，高度3 μm，深度0.2 μm，刻蝕結果如圖3（a）所示。圖中3 個線槽結構形貌完全相同，且每個單元結構頂端在同一水平線。因此聚焦離子束在單晶硅材料表面的刻蝕效果及可重復性極好。然后將離子束移至石英片表面無硅基蓋板覆蓋的空白區域進行聚焦，并在不同區域進行了4 組重復試驗，試驗結果顯示每組刻蝕結果與硅片表面的刻蝕結果偏差嚴重，且4 組刻蝕的形貌之間存在不同程度的偏差。如圖3（b）中第1 組試驗的4個線槽已經嚴重變形為平行四邊形，其余2 組（見圖3（c）、（d））線槽存在同樣畸變。且每組試驗中第1 周期的凹槽傾斜畸變最為嚴重，其后每個周期的畸變開始出現不同程度的減緩。這是由于鎵離子束初入射時，第1 周期圖形電荷積累－放電現象最為嚴重，干擾入射離子束流，使得離子束刻蝕軌跡偏離既定軌跡。隨著時間的推移，鎵離子注入石英片表層，開始有利于電荷的傳導，電荷的積累－放電頻率逐漸降低，離子束刻蝕軌跡趨于平穩，因此刻蝕效果相較第1 周期圖形有所改善。然而這種隨機性強、偏差高的刻蝕結果無法滿足常規的科研實驗需求。

圖3 硅片表面及無通孔覆蓋的SiO2 表面刻蝕線槽結構的效果對比

最后嘗試將1 pA 離子束束流聚焦于倒金字塔通孔（底孔邊長13 μm × 13 μm）環繞的SiO2表面，依次刻蝕5 組線槽結構進行對比。刻蝕線槽長度一致為3 μm，單元線槽槽寬度分別為0.1、0.05、0.05、0.02、0.01μm，深度分別為0.2、0.2、0.1、0.1、0.1 μm（見圖4 中間圖片中線槽結構，編號分別為1 ～5）。隨著刻蝕寬度的變窄及深度的減小，單元凹槽的刻蝕時間逐漸縮短，第1 組線槽中單根線槽耗時為204 s，最后1組（編號5）每根線槽耗時26 s，噴金后SEM成像結果如圖4 所示。每組線槽俯視形貌良好，無明顯畸變。然而第1、2 組線槽可見明顯的三角形尾端，隨后3、4、5 三組的線槽頂端較為圓滑，由此可判斷此孔徑下1 pA束流刻蝕中依然出現了輕度漂移，由于在第1、2 組中刻蝕時間較長，電荷積累-放電發生次數過多導致刻蝕位置多次漂移使得尾端形變為三角形，而第3、4、5組刻蝕中電荷積累-放電的次數不多，因此尾端形變幾乎沒有。然而與圖3（b）～（d）相比，線槽主干部分凹槽形貌較好，未見明顯畸變，且第5 組凹槽槽寬僅為54 nm，足以滿足常規科研需求。

圖4 使用1 pA束流刻蝕線槽及圖案的效果

考慮到線槽結構較為簡單，為驗證使用1 pA束流進行復雜圖形刻蝕時的穩定性，試驗中加入了復雜圖形結構的刻蝕進行對比。如圖5 左側圖所示為試驗中導入FIB計算機的一個求是鷹圖形結構的BMP位圖，FIB圖形發生器根據此圖的灰度進行刻蝕，圖中白色區域為刻蝕區域，黑色區域為保留區域。求是鷹的圖片尺寸設置為5 μm × 5 μm（依照圖片像素點計算，白色區域刻蝕寬度理論值為52 nm），刻蝕深度為0.2 μm。刻蝕結果噴金后SEM掃描圖像如圖5 中間圖及右側圖所示，求是鷹翅膀部分內環凸起線消失（內環凸線精度過高，此加工方案無法刻蝕），但圖形邊緣平滑規整，未見明顯漂移導致的結構分層的痕跡。

圖5 使用1 pA束流刻蝕復雜圖案的效果

此外，考慮到實驗中存在更大的加工區域的應用要求，為此試驗中分別在孔洞直徑分別為23 與38.5 μm的微窗硅基蓋板覆蓋下的SiO2表面使用1 pA和10 pA束流進行刻蝕效果對比。結果顯示，線槽整個區域左右對稱性良好，頂端與尾部凹槽并無三角傾斜畸變，因此未見漂移現象，刻蝕效果與單晶硅表面刻蝕效果一致，如圖6（a）～（c）所示。試驗中進行重復刻蝕做對比試驗，重復結果無差異。然而刻蝕求是鷹的結果顯示（圖片尺寸為5 μm × 5 μm × 0.1 μm）圖6（d）、（e）刻蝕過程中出現了漂移現象，導致求是鷹結構有疊影，尤以右側羽翅部分最為明顯。因此對于較復雜圖形的加工需求，使用較大的通孔會導致圖形加工效果變差，可考慮使用更小的通孔從而提高加工精度。對于結構簡單的圖形（如凹槽結構），23 與38.5 μm孔徑的通孔則可滿足加工常規加工需求。

圖6 不同孔洞直徑的微窗硅基蓋板覆蓋下的SiO2 表面刻蝕效果對比

3 結 論

帶有倒金字塔形通孔的單晶硅片作為微窗硅基蓋板覆蓋于二氧化硅后，當聚焦離子束穿過倒金字塔通孔聚焦于通孔環繞的二氧化硅表面進行濺射刻蝕時，微窗硅基蓋板的導電特性可提高濺射出的帶電粒子的遷移率，降低電荷積聚-放電的頻率，有效改善聚焦離子束在二氧化硅表面制備微納結構的效果，部分刻蝕結果與單晶硅表面的刻蝕結果一致。試驗中微窗硅基蓋板含有的倒金字塔通孔的數量及孔徑可根據加工精度及加工區域等不同需求進行調整，且在使用過程中對樣品不存在任何影響，可隨意覆蓋樣品表面任何區域，可重復使用，為聚焦離子束在刻蝕絕緣材料表面微納加工提供了一種高效、便捷、經濟實用的加工方案。

知識就是力量，人才就是未來。我國要在科技創新方面走在世界前列，必須在創新實踐中發現人才、在創新活動中培育人才、在創新事業中凝聚人才，必須大力培養造就規模宏大、結構合理、素質優良的創新型科技人才。

——2014 年6 月9 日，習近平在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上的講話