CN101456534B - 聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于聚焦离子束注入和辅助气体刻蚀的微纳加工方法，包括下列步骤：将待加工基底置于聚焦离子束样品室；通过离子束成像系统对其进行形貌观测；利用聚焦离子束对基底按照目标加工图案进行离子注入加工；在所述的聚焦离子束样品室内，原位利用聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀的方法对离子注入区域进行微纳加工。本发明提出的方法稳定可靠，不仅可以显著提高制备效率，而且提高了加工的灵活性，还可以有效地减小加工再沉积的影响，显著提高加工精度和加工质量。

Description

聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法

技术领域

本发明涉及一种微纳加工方法，更具体而言，涉及一种基于聚焦离子束注入和辅助气体刻蚀的微纳加工方法，该方法可用于MEMS，微纳制造，生化分析，光学和通讯等领域。

背景技术

聚焦离子束(Focused ion beam，FIB)加工技术在微纳米结构的加工中得到了广泛的应用。聚焦离子束系统不仅能够去除材料(铣削加工)，还具有添加材料(离子注入和沉积)加工的能力。离子注入是采用高能离子轰击样品表面，使高能离子射入样品，入射离子通过与工件中的原子碰撞，逐渐失去能量，最后停留在样品表层。

与传统的掩模注入法相比，运用聚焦离子束系统进行定点离子注入，不仅大大节省成本，还可节约加工时间。聚焦离子束离子注入已被尝试应用于纳米结构和器件的加工研究，主要方法是利用离子束离子注入层作为掩膜，结合湿法刻蚀或反应离子深刻蚀。目前该方法中，离子注入完后，还需要取出FIB样品室进行湿法刻蚀或反应离子深刻蚀，无法原位观测刻蚀的过程和结果。导致加工效率低，而且将刻蚀除离子注入区域外基底所有其它位置，无法实现在局部位置的高效率刻蚀加工，限制了离子注入技术的应用。

聚焦离子束铣削技术在微纳制造领域具有重要的应用，可以实现复杂三维微纳结构的加工。不过对于聚焦离子束铣削技术，再沉积现象会严重影响其加工精度。而如何减小或消除再沉积对加工精度的影响一直是聚焦离子束微纳加工技术领域的研究焦点。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足，提供一种灵活、高效和高精度的基于聚焦离子束注入和辅助气体刻蚀的微纳加工方法。本发明提出的方法，能显著提高聚焦离子束微纳加工的加工效率和精度。

本发明的目的是通过下述方案实现的：

一种基于聚焦离子束注入和辅助气体刻蚀的微纳加工方法，采用带有氟化氙气体辅助刻蚀的聚焦离子束设备，包括下列步骤：

(1)将待加工基底置于聚焦离子束样品室；

(2)通过离子束成像系统对其进行形貌观测；

(3)利用聚焦离子束对基底按照目标加工图案进行离子注入加工；

(4)在所述的聚焦离子束样品室内，原位利用聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀的方法对离子注入区域进行微纳加工。

作为优选实施方式，本发明的微纳加工方法，其中的步骤(3)，聚焦离子束照射剂量不小于临界剂量1.4×10²¹离子/米²；其中的步骤(4)的聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀过程中，在样品室内通入0.1-10uL/s的氟化氙活性气体；步骤(4)中聚焦离子束刻蚀加工束流为1pA~20nA；所述的聚焦离子束是镓离子束；所述的基底由单晶硅、多晶硅、二氧化硅或氮化硅材料制成；所述的氟化氙气体是二氟化氙、四氟化氙或六氟化氙。

本发明提出的以聚焦离子束注入层作为掩膜结合聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀的加工方法，与传统聚焦离子束注入加工技术相比，具有以下显著的优势：

首先，这种方法可以提高结构制备效率。由于本发明提出的研究方法中，聚焦离子束注入完成之后，直接在聚焦离子束真空腔中进行刻蚀加工，因而在刻蚀加工过程中可以实时观察加工结果，快速确定最优加工参数，能显著提高加工效率。

其次，这种方法非常灵活，可以在局部指定位置实现加工，无需对非离子注入区域完全去除加工。

另外，与聚焦离子束铣削加工方法相比，本发明提出的加工方法可以有效地减小或避免再沉积的影响，显著提高加工精度和加工质量。在聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀加工中，再沉积物与氟化氙气体分子间的化学反应生成物具有挥发性，会被抽出真空室，因而本发明提出的方法能够明显减小加工再沉积的影响，提高加工表面质量。

附图说明

图1聚焦离子束注入和辅助气体刻蚀的微纳加工方法的基本原理示意图，其中：

(a)聚焦离子束离子注入  (b)聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀加工  (c)聚焦离子束离子注入结合氟化氙气体辅助刻蚀加工后的结果

图2采用本发明的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀加工方法制作的纳米电极的扫描电子显微镜照片，比例尺＝5μm。

图3采用本发明的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀加工的纳米光栅的扫描电子显微镜照片，比例尺＝2μm。

图4采用本发明的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀加工的微正弦结构的扫描电子显微镜照片。(a)为微正弦阵列，比例尺＝5μm，(b)微正弦结构放大图，比例尺＝2μm。

附图标记：1硅基底；2聚焦离子束；3XeF₂气体；4离子注入区域；5聚焦离子束XeF₂气体辅助刻蚀区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，首先将单晶硅基底1样品放进聚焦离子束设备样品室内，通过电子束或离子束成像系统对样品进行形貌观测。利用聚焦离子束2对单晶Si基底按照目标加工图案进行离子注入加工，聚焦离子束照射剂量需要不小于临界剂量1.4×10²¹离子/米²。然后，直接在聚焦离子束样品室内，原位利用聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀(Gas assistedetching，GAE)对离子注入区域进行加工。在聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀过程中，在样品室内通入0.1-10uL/s的少量氟化氙活性气体，这些气体分子将吸附在Si基底表面。在加工束流为1pA~20nA的聚焦离子束的轰击下，吸附的氟化氙气体将电离成离子，然后与Si基底材料原子反应生成挥发性气体化合物。在氟化氙气体辅助刻蚀加工区域内，且没有被离子注入的区域会被氟化氙气体辅助刻蚀高效率刻蚀。而在聚焦离子束注入区域，离子注入层会成为氟化氙气体腐蚀的掩膜，有效保护离子注入区域不被聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀。

本发明所述的聚焦离子束是镓离子束。所述的Si基底可以是单晶硅，多晶硅，二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)等材料。氟化氙气体可以是二氟化氙(XeF₂)，四氟化氙(XeF₄)和六氟化氙(XeF₆)。

实施例1

采用30kV加速电压和30pA的镓离子束，以1.4×10²¹离子/米²离子剂量对单晶硅样品进行离子注入，注入时间为210秒钟，离子注入方式采用均匀注入。随后，采用30kV和30pA束流进行XeF₂气体辅助刻蚀8秒钟，辅助刻蚀加工范围取18微米×12.5微米。停止辅助刻蚀后，会生成以离子注入区域为突起的约100纳米高的微电极结构，如图2所示。

实施例2

采用30kV加速电压和30pA的镓离子束对单晶硅样品进行离子注入，离子注入方式按照光栅结构规律注入，离子注入加工范围取5微米*5微米，离子注入时间为40秒钟。随后，采用30kV和30pA束流进行XeF₂气体辅助刻蚀2秒钟，辅助刻蚀加工范围取5.5微米×5.8微米。停止辅助刻蚀后，会生成以离子注入区域为突起，约100纳米深的微光栅结构，如图3所示。

实施例3

采用30kV加速电压和50pA的镓离子束对单晶硅样品进行离子注入，离子注入采用正弦分布规律进行，单个微正弦结构的注入时间为60秒，微正弦直径为5微米，共注入9个微正弦结构。随后，采用10kV和23pA束流进行XeF₂气体辅助刻蚀15秒钟，辅助刻蚀加工范围取21微米×21微米。停止辅助刻蚀后，会生成以离子注入区域为突起的峰谷值约为100纳米的微正弦结构，如图4所示。

Claims (7)

1.一种聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，采用带有氟化氙气体辅助刻蚀的聚焦离子束设备，包括下列步骤：

a)将待加工基底置于聚焦离子束样品室；

b)通过离子束成像系统对其进行形貌观测；

c)利用聚焦离子束对基底按照目标加工图案进行离子注入加工；

d)在所述的聚焦离子束样品室内，原位利用聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀的方法对离子注入区域进行微纳加工。

2.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，其中的步骤c)，聚焦离子束照射剂量不小于临界剂量1.4×10²¹离子/米²。

3.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，其中的步骤d)的聚焦离子束氟化氙气体辅助刻蚀过程中，在样品室内通入0.1-10uL/s的氟化氙活性气体。

4.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，步骤d)中聚焦离子束刻蚀加工束流为1pA～20nA。

5.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，所述的聚焦离子束是镓离子束。

6.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，所述的基底由单晶硅、多晶硅、二氧化硅或氮化硅材料制成。

7.根据权利要求1所述的聚焦离子束注入结合氟化氙气体辅助刻蚀的微纳加工方法，其特征在于，所述的氟化氙气体是二氟化氙、四氟化氙或六氟化氙。

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