CN102064077A - 一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，该方法有四大步骤：一、对刻蚀加工的样品进行清洗、烘干，然后装入双束系统的样品台上，并抽取真空；二、移动样品台到该双束系统的工作距离，调节该双束系统电压、束流等参数，调节好电子束与离子束象散，最终使该系统中的电子束与离子束的焦点汇聚于样品表面。三、在聚焦离子束曝光软件-图形发生器上设计好需要加工的图形；同时打开聚焦离子束和电子束辅助聚焦离子束刻蚀加工，根据聚焦离子束束流大小选择好合适的电子束束流范围；四、关闭该双束系统中电子束与离子束的高压，从样品室的样品台上取出加工刻蚀完的样品。它在半导体工业及材料的微纳米加工等技术领域里具有发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，它主要应用于半导体工业及材料的微纳米加工等技术领域。
背景技术
纳米科技是当今国际上的一个研究热点。纳米测量学在纳米科技中起着信息采集和分析的一个不可替代的重要作用，纳米加工是纳米尺度制造的核心，而聚焦离子束是纳米测量和纳米加工中最为重要的方法。聚焦离子束技术是一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和无掩模刻蚀过程于一身的技术，其以较高加工灵活性、加工步骤少逐渐成为新一代纳米加工技术，特别是与扫描电子显微镜组合，使之在纳米材料和半导体工业中得到广泛地应用。对聚焦离子束系统来说，它的刻蚀加工分辨率是一个很重要的指标。但是由于离子束中带正电荷的离子会因库仑相互作用而使聚焦的离子束发散，使其加工精度得到限制，所以当聚焦离子束在对材料进行高精度成像或加工处理时，就无法发挥其优势。
发明内容
1、目的：根据纳米科技中微纳米加工高精度的需要，本发明提供一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，在电子束的辅助作用下，它可以很大程度上提高聚焦离子束的加工精度。
2、技术方案：本发明提供一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：对刻蚀加工的样品进行清洗、烘干，然后装入聚焦离子束-扫描电子显微镜双束系统样品室的样品台上，关上该双束系统的样品室门抽取真空，其真空度要求低于10-3Pa。
步骤二：移动样品台到该双束系统的工作距离，按要求调节该双束系统中电子束和离子束的电压、束流等参数，根据聚焦离子束束流大小选择好合适的电子束束流范围，为了保证有电子束中电子密度足够大，电子束束流一般为离子束束流的103倍以上；调节好电子束与离子束象散，最终使该系统中的电子束与离子束的焦点汇聚于样品表面。
步骤三：当该双束系统中电子束与离子束聚焦调好后，利用束消隐关闭电子束与离子束，防止对样品造成损伤；在聚焦离子束曝光软件-图形发生器上设计好需要加工的图形，打开聚焦离子束进行加工，同时打开电子束辅助聚焦离子束刻蚀加工。打开电子束的目的是既可以利用电子束高精度成像功能实现实时观测刻蚀加工过程，又可以因电子束的引入来中和离子束中的离子，减小离子束中库仑力来降低因库仑力带来离子间相互排斥作用，从而可以提高聚焦离子束的汇聚效果即减小离子束的束斑直径，最终达到提高其刻蚀加工精度目的。
步骤四：关闭该双束系统中电子束与离子束的高压，从样品室的样品台上取出加工刻蚀完的样品。
3、优点及功效：本发明一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，其优点在于：
经过改进后的系统，因为同步可控电子束的引入，聚焦离子束的刻蚀加工分辨在原有系统分辨率的基础上更进一步，从而可以更能发挥聚焦离子束系统的刻蚀加工的能力。
附图说明
图1是本发明所述方法的装置结构示意图。
图2是本发明所述方法的加工实例图。
图2(a)是本发明在电子束开关条件下获得的聚焦离子束在Si基底上刻蚀最小线宽的扫描电子显微镜(SEM)图；刻蚀的条件为：离子束束流13.3pA，刻蚀时间为1min。
图2(b)是本发明在电子束开关条件下获得的聚焦离子束在Si基底上刻蚀最小线宽的SEM图；刻蚀的条件为：离子束束流13.3pA，刻蚀时间为1min。
图2(c)本发明在电子束开关条件下，刻蚀线宽与离子束流的关系图。
图2(d)本发明在电子束打开的下，刻蚀线宽减小率随离子束流变化曲线图。
图3是本发明所述方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。本方法是在JEOL公司的JSM-6490LV扫描电子显微镜上增配Orsayphysics公司Canion 31+型离子柱体完成的双束系统上实施的，所用的图形发生器为DY2000A。
见图1(是本发明所述方法的装置结构示意图)和图3(是本发明所述方法的流程框图)所示，本发明一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：对刻蚀加工的单晶Si片基底进行清洗、烘干，然后装入聚焦离子束-扫描电子显微镜双束系统的样品台上，关上双束系统的样品室门抽取真空，其真空度要求低于10-3pa。
步骤二：调节样品台的位置，使其工作距离为22mm并倾斜55°；打开聚焦离子束和电子束的高压，两束的加速电压都选择为30kV，离子束束流为20pA，电子束流为50nA；调节好离子束与电子束象散，最终使两束聚焦于样品表面。
步骤三：当该双束系统中电子束与离子束聚焦调好后，利用束消隐关闭电子束与离子束，防止对样品造成损伤；利用DY2000A图形发生器设计好所需要的刻蚀加工的图形，并设定刻蚀时间为1min；打开离子束进行加工，同时把电子束打开来辅助离子束刻蚀加工，选择50nA电子束流及55°入射角度，所有实验都是在室温下完成的。
步骤四：刻蚀完毕后，关闭该双束系统中电子束与离子束的高压，从样品室的样品台上取出加工刻蚀完的样品。
现有的聚焦离子束系统或者聚焦离子束-电子束双束系统中，由于聚焦离子束中离子间的库仑相互作用，汇聚的离子束会产生发散的效果，离子束流越大这种发散作用就会越大，离子束的发散就会引起束斑的不规则变化从而影响加工精度。如在聚焦离子束系统引入可控同步的电子束，利用电子束与离子束的中和作用使聚焦离子束在成像或者加工过程中离子束中离子间库仑力减小，甚至可使之减小至零。库仑力减小，离子束汇聚效果就增强，从而使离子束束斑缩小来提高聚焦离子束的刻蚀加工的分辨率。而聚焦离子束成像或者加工是靠离子束中离子动量来完成的，而外加的电子的质量相对离子来说是可以忽略不计，故离子的动量几乎保持不变，也就是说在刻蚀过程中电子束对聚焦离子束刻蚀的影响可以忽略不计。
在离子束加工过程中，打开电子束，于是电子束中的电子就可以中和离子束中带正电的离子，使离子束因库仑相互作用带来的发散效果减小，最终达到提高离子束的加工精度。
该双束系统中包括聚焦离子束系统、扫描电子显微镜系统和图形发生器，其中扫描电子显微镜系统中的电子束束流可以精确可控。电子束与离子束的汇聚点要尽量的高，这样离子束可以获得更好的汇聚效果。
见图2所示，图2(a)、(b)、(c)、(d)显示的是在Si片基底上用聚焦离子束刻蚀线宽的SEM图及相应的实验曲线图，图2(a)、(b)是SEM图，图2(c)、(d)是相应的实验曲线图。从图2(d)可以看出当离子束束流在0～40pA范围内，引入同步电子束可以减小离子束刻蚀线的宽度，提高率最大接近30％。表1是不同离子束下刻蚀线宽数据。
表1
| 离子束流(pA) | 电子束开线宽(nm) | 电子束关线宽(nm) | 减小率(％) |
| 1.2 | 11.8 | 12.1 | -2.5 |
| 1.5 | 13.76 | 14.16 | -2.8 |
| 2.5 | 13.1 | 13.67 | -4.2 |
| 3.2 | 14.2 | 14.74 | -3.7 |
| 5 | 18.67 | 19.65 | -5.0 |
| 5.4 | 25.67 | 26.53 | -3.2 |
| 7.4 | 24.86 | 26.63 | -6.6 |
| 7.7 | 28.53 | 30.82 | -7.4 |
| 8.4 | 29.9 | 33.41 | -10.5 |
| 13.3 | 30.49 | 39.34 | -22.5 |
| 18.3 | 35.46 | 48.2 | -26.4 |
| 18.8 | 36.37 | 51.8 | -29.8 |
| 25.5 | 50.17 | 56.2 | -10.7 |
| 25.6 | 50.36 | 57.1 | -11.8 |
| 29 | 64 | 66.1 | -3.2 |
| 40.1 | 70.1 | 72.5 | -3.3 |
从上表中可以看出，电子束开的情况下，聚焦离子束刻蚀的线宽比在电子束关闭情况下要小，减小率见表1。减小率计算方法如下：
Claims (3)
1.一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：对刻蚀加工的样品进行清洗、烘干，然后装入聚焦离子束-扫描电子显微镜双束系统样品室的样品台上，关上该双束系统的样品室门抽取真空；
步骤二：移动样品台到该双束系统的工作距离，按要求调节该双束系统中电子束和离子束的电压、束流参数，根据聚焦离子束束流大小选择好电子束束流范围，为了保证有电子束中电子密度足够大，电子束束流选择为离子束束流的103倍以上；调节好电子束与离子束象散，最终使该系统中的电子束与离子束的焦点汇聚于样品表面；
步骤三：当该双束系统中电子束与离子束聚焦调好后，利用束消隐关闭电子束与离子束，防止对样品造成损伤；在聚焦离子束曝光软件-图形发生器上设计好需要加工的图形；打开聚焦离子束进行加工，同时打开电子束辅助聚焦离子束刻蚀加工；打开电子束的目的是既可以利用电子束高精度成像功能实现实时观测刻蚀加工过程，又可以因电子束的引入来中和离子束中的离子，减小离子束中库仑力来降低因库仑力带来离子间相互排斥作用，从而可以提高聚焦离子束的汇聚效果即减小离子束的束斑直径，最终达到提高其刻蚀加工精度目的；
步骤四：关闭该双束系统中电子束与离子束的高压，从样品室的样品台上取出加工刻蚀完的样品。
2.根据权利要求1所述的一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，其特征在于：步骤一中所述的“关上该双束系统的样品室门抽取真空”，其抽取的真空度低于10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种利用同步可控电子束提高聚焦离子束加工精度的方法，其特征在于：步骤二中所述的“按要求调节该双束系统中电子束和离子束的电压、束流参数，根据聚焦离子束束流大小选择好电子束束流范围”，两束的加速电压都选择为30kV，离子束束流为20pA，电子束流为50nA。
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