CN109165400A

CN109165400A - 一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法

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Publication number: CN109165400A
Application number: CN201810738661.2A
Authority: CN
Inventors: 幸研; 李源; 陈乾潢; 方晨
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: CN109165400B

Abstract

本发明公开了一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，该方法包括：（1）确定基底材料及扫描策略；（2）基础结构试加工；（3）建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型；（4）利用试加工的基础结构轮廓数据与粒子群优化算法对模型中实验环境相关参数进行优化与修正；（5）工艺参数预估与设计；（6）代入模型计算加工刻蚀轮廓；（7）根据误差调整相应工艺参数代入模型计算，并反复调整比对，将最终得到的最优工艺参数即为最终设计参数；本发明通过少量实验数据便可以使聚焦离子束刻蚀轮廓计算模型的参数得到校正以适应于当前的设备与工艺环境，进一步方便有效率的实现FIB工艺参数的设计与校正。

Description

一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法

所属领域

本发明涉及MEMS微机电系统聚焦离子束刻蚀加工中，工艺设计与误差控制领域，具体涉及一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法。

背景技术

聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀工艺是一种重要的微机电系统加工方法，其通过使用高能离子束轰击材料表面以去除材料而进行微纳结构的直接加工。该工艺的主要物理原理是溅射，其中许多重要参数决定了加工结构的形貌，例如离子能量影响着离子束加工的能力，表现为平均每个离子能产生多少基底材料粒子的去除，即溅射产额的大小；离子束电流大小，电流密度分布，像素重叠率，共同决定了扫描加工区域的照射离子剂量其分布，这直接影响着微结构各位置的加工深度与结构开口的大小。

对于工艺的使用者来说，FIB设备中离子能量与电流均是在预先设好的选项，像素的驻留时间像素重叠率，加工尺寸、深度以及加工总时间是可以自由设定的变量，而且这些参数在设备中是存在辅助设计的算法保证其参数的联动性，例如输入加工时间自动生成加工深度参数，或输入加工深度自动获得加工时间参数，因而预测受到设备环境的影响，往往误差十分巨大，主要存在两方面的原因：1)实际加工中无法做到每次使用均对离子束尺寸及电流进行校正，而随着使用离子束尺寸及其分布会发生变化，电流值也是一个动态过程受到影响，设备的算法依然以原始设置进行计算，导致加工误差很大；2)设备算法仅仅以简化的不同参数下照射剂量/刻蚀线性速率模型，并未考虑FIB加工中的各种效应，而在实际加工中，FIB的工艺效应对加工结果有很大的影响，其中最重要的之一就是再沉积效应。随着离子轰击溅射出的粒子，是入射离子与基底材料原子的混合物，会在其他加工表面重新沉积，其最主要的影响参数是，离子束电流，驻留时间和扫描策略。该效应也导致了，在加工中即使使用相同的入射剂量，仅改变扫描策略或者驻留时间，也会得到完全不同的结果。因此对于FIB的工艺设计者需要通过其自身经验加上多次实际加工的测试才能最终加工得到需求结构的加工工艺，但是也受到具体设备及其相关环境的影响，这就使得预测与设计特定结构的加工工艺十分困难。

为了预测加工结果和效应，目前已有一系列的计算方法，其中最主要类型包括：粒子运动模型(Particle Motion Model，PMM)，它研究粒子在运动过程中的运动，并通过粒子通量分析计算材料去除和沉积。另一种是曲线拟合算法(Curve Fitting Algorithm，CFA)，它研究入射离子的分布及其对基底的影响，并通过分布函数拟合得到处理结果的轮廓。但这些现有的模型中并没有，且也并不适合应用到对FIB加工工艺参数设计中去。因为现有的粒子运动模型计算相对准确，但模型非常复杂，使得其模拟计算时间非常长，作为工艺设计使用的方法效率太低；同时，这些模型都需要精确的工艺参数，例如束流及其密度分布。

由于FIB工艺的动态性，这些参数需要根据设备和工艺条件进行优化，以确保模型在不同情况下的准确性，然而模型的复杂程度与参数的众多限制了其优化效率，这也使得粒子运动模型并不适宜应用于FIB加工的工艺参数设计中。目前的曲线拟合算法仅仅停留在研究最简单的孔/线结构，并只关注了驻留时间变化下的轮廓变化，适用范围太小，同样也存在工艺参数模型参数转化的问题，因此，研究一种真正能达到实际应用价值的针对FIB刻蚀加工特定轮廓的工艺参数设计的方法，就变得尤为重要。

发明内容

本发明正是针对现有技术中难以做到工艺参数模型参数转化的问题，以及现有模型和方法的一系列局限性，提供了一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，通过少量实验数据便可以使聚焦离子束刻蚀轮廓计算模型的参数得到校正以适应于当前的设备与工艺环境，进一步方便有效率的实现FIB工艺参数的设计与校正。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，包括以下步骤：

S1.确定基底材料：根据基底材料及待加工结构的尺寸特征需求确定扫描策略、离子束类型、离子能量E_p与离子束电流I；

S2，基础结构试加工：在选定的基底同种材料上，运用步骤S1确定的离子能量E_p与电流I进行基础结构试加工，获取该工艺下加工结构刻蚀底部轮廓数据与再沉积层轮廓数据；

S3，建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型；

S4，参数优化与校正：以步骤S2中获取的少量实验数据为基础，对步骤S3中的计算模型进行适应需求的工艺环境与当前设备环境的参数优化与校正；

S5，工艺参数预估与设计：针对待加工结构进行工艺参数预估与设计，设计参数值；

S6，代入计算：将步骤S5中设计的参数值代入步骤S3中的计算模型中进行轮廓预测计算；

S7，分析比较：比较分析步骤S6中模型计算结果与实际设计需求的差别，根据误差调整设计参数后返回步骤S4，重复步骤S4-S7，直至误差满足设计要求，参数设计方法完成。

作为本发明的一种改进，所述步骤S3中聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型为：

其中，P_s为扫描路径函数，N为入射离子分布阶数，w_dt和I_k分别为驻留时间与电流对溅射微结构开口宽度的影响参数，h_dt和I_d分别为驻留时间与电流对溅射微结构刻蚀深度的影响参数，Y为溅射产额函数，a_i,b_i,λ和σ为分布参数，q为沉积系数，r为期望差函数描述沉积分布中心与入射分布中心的距离。

作为本发明的一种改进，所述步骤S3建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型，进一步包括：

S31，建立溅射过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布；

S32，建立再沉积过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布；

S33，计算单个扫描位置加工的轮廓变化为溅射与再沉积共同作用的影响；

S34，将单个扫描位置的演化结果根据扫描策略在扫描路径上重复叠加得到最终加工轮廓。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S31中溅射过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布为多重高斯分布，其计算方法如下：

其中，w_dt和I_k分别为驻留时间与电流对溅射微结构开口宽度的影响参数，h_dt和I_d分别为驻留时间与电流对溅射微结构刻蚀深度的影响参数，Y为溅射产额函数，a_i,和b_i为分布参数，该分布中心位置即为入射离子束中心位置。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S32中再沉积过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布为单高斯分布，其计算方法如下：

其中，期望差函数r为再沉积影响分布与溅射影响分布中心的距离，q为沉积系数，λ,和σ为分布参数。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S33中单个扫描位置加工的轮廓变化计算为：

J_tot＝J_sput+J_red

所述步骤S34根据扫描策略重复叠加得到的最终加工轮廓为：

d＝P_s*J_tot

其中，P_s为扫描路径函数。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S4中采用粒子群优化算法进行参数优化与校正，其进一步包括：

S41，确立待优化参数[w_dt,I_k,,h_dt,I_d,a_i,,b_i,λ,σ]为粒子，建立n_p组粒子，并根据参数取值随机生成初始值；

S42，将各组粒子独立并行代入模型以实验中工艺参数进行轮廓计算；

S43，将各组轮廓计算结果取实验测量特征点位置，获取这些位置处的计算刻蚀深度与沉积层厚度，以计算值与实验测量结果之误差和作为适应值函数，统计各粒子最小误差的参数和所有粒子的全局最小误差的参数；

S44，以当前各粒子最小误差的参数和所有粒子的全局最小误差的参数指导粒子在数据空间运动，通过计算迭代检索最优解；

S45，当全局最小误差达到要求，或者迭代次数到达设定后，输出当前全局最优的参数集合作为优化与校正的结果。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S5中设计的参数包括：扫描驻留时间dt,扫描次数p，加工总时间T，扫描图形尺寸，和离子束像素重叠率O_p。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果：

(1)本发明通过少量的实验数据，就可以克服现有技术中工艺参数模型参数难以转化的问题，解决了现有模型和方法的一系列局限性，工艺参数的精确性也进一步保证了实际加工的稳定性和可靠性。

(2)本发明不仅能够通过少量的实验数据就可以搭建一个贴合实验环境的计算模型，而且该模型能够迅速计算聚焦离子束加工轮廓，真正能实现聚焦离子束加工工艺参数的测试与确定。

(3)相比于现有的反复实验调整和经验化的设计，本方法在模型中实现验证与调整，简单易操作，成本更低效率更高。

(4)相比于现有的其他模型，例如粒子运动模型和曲线拟合算法，本方法兼具了准确性和效率，并且保证了对一系列复杂结构的适用性。

附图说明

图1为本发明加工工艺参数设计全过程流程图；

图2为本发明轮廓计算模型流程图；

图3为本发明模型参数优化流程图；

图4为本发明实施例2参数设计模型轮廓计算结果；

图5为本发明实施例2中基础结构试加工实验结果与优化参数后轮廓模型计算结果；

图6为本发明实施例2结构设计图与实际加工结果图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1.确定基底材料：根据加工的需求和现有资源选定加工的设备，根据设备情况，并基于材料与待加工微结构结构特征与尺寸特征确定扫描策略，加工使用的离子束类型，离子能量E_p与离子束电流I。

S2，基础结构试加工：在当前设备上，运用步骤S1确定的离子能量E_p与电流I进行基础结构试加工，获取该工艺下加工结构刻蚀底部轮廓数据与再沉积层轮廓数据，具体的加工工艺步骤为：

(1)采用与实际加工相同的材料基底进行清洁，包括用丙酮溶液和去离子水超声波浸泡清洗十分钟后烘干；

(2)根据基底材料进行预处理。硅材料可直接加工，石英等导电性差的材料进行溅射喷金；

(3)将实验基底固定在FIB设备内工作台上，抽真空；

(4)在FIB系统中设置选定的离子束，离子能量E_p与离子束电流I；

(5)对离子束斑调焦，并进行单次往复(serpentine)矩形扫描，在基底不同位置重复加工若干个相同该结构；

(6)分别在已加工结构中部位置进行Pt材料的聚焦离子束辅助沉积；

(7)分别对已加工结构采用FIB刨取截面，截面位置控制为Pt沉积层区域；

(8)使用扫描电子显微镜对已加工结构截面进行拍摄测量，获取该工艺下加工微结构刻蚀底部轮廓与再沉积层轮廓，并选取结构特征点测量加工深度与沉积层厚度。

S3，建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型，如图2所示，其进一步包括：

S31，建立溅射过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布,溅射影响分布来自于离子入射分布,该分布在本方法中设定其为多重高斯分布,结合驻留时间与离子电流的影响，其计算方法如下：

此处模型中溅射影响分布为n阶高斯分布,该分布中心位置即为入射离子束中心位置,w_dt和I_k分别为驻留时间与电流对溅射微结构开口宽度的影响参数,h_dt和I_d分别为驻留时间与电流对溅射微结构刻蚀深度的影响参数,Y为溅射产额函数。a_i,和b_i为分布参数。

S32，建立再沉积过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布,该分布在本方法中设定为单高斯分布,其计算方法如下：

此处模型中再沉积影响分布与溅射影响分布中心的距离以期望差函数r来描述,q为沉积系数,λ,和σ为分布参数。

S33，计算单个扫描位置加工的轮廓变化为溅射与再沉积共同作用的影响,其计算为：J_tot＝J_sput+J_red。

S34，将单个扫描位置的演化结果根据扫描策略在扫描路径上重复叠加得到最终加工轮廓：d＝P_s*J_tot,此处模型中P_s为扫描路径函数。

以上，聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型为：

S4，参数优化与校正：利用基础实验数据，对计算模型参数进行适应优化与校正，本方法选用粒子群优化算法(PSO)进行模型参数适应优化与校正，附图3所示，主要步骤为：

首先选取待优化参数的集合[w_dt,I_k,,h_dt,I_d,a_i,b_i,λ,σ]为粒子，建立n_p组粒子，并根据参数取值随机生成初始值，将各组粒子独立并行带入模型在实验选择的离子束，离子能量E_p与离子束电流I条件下进行轮廓计算，将各组轮廓计算结果取实验测量特征点位置的计算刻蚀深度与沉积层厚度，统计各组计算值与实验测量结果之差的绝对值并求和，以此误差和作为优化的判定标准，算法记录每个粒子最小误差的那组参数，和所有粒子中最小误差的参数，在此临时最优解的指导下，粒子的速度与位置不断迭代计算刷新，检索出最终最优解。

S5，工艺参数预估与设计：针对待加工结构进行工艺参数预估与设计，设计参数值，所述设计的参数主要包括：扫描驻留时间dt,扫描次数p，加工总时间T，扫描图形尺寸，和离子束像素重叠率O_p。

S7，分析比较：比较分析步骤S6中模型计算结果与实际设计需求的差别，根据误差调整设计参数后返回步骤S4，将调整好的参数重新带入模型进行轮廓计算，如此直到满足实际工艺需求。

实施例2

该实施例为单晶硅材料上亚微米级台阶斜面加工设计：

设备环境：FEI Helios 400双束。

加工对象：单晶硅晶片

选取实验环境：Ga液态金属离子源，离子能量30keV，离子电流48pA。

实验目标：设计工艺参数在单晶硅材料上加工特定亚微米级台阶斜面。

一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1,确定基底材料：根据单晶硅晶片的特征和特性，根据当前设备环境和状态，确定扫描策略，确定加工使用的离子束类型，确定离子能量E_p＝30keV与离子束电流I＝48pA。

步骤S2，微结构试加工，测量加工结果，确认当前设备情况。

因为各台设备存在差异，即使是同一台设备，其离子束性能随着使用也会发生变化，因此需要进行微结构试加工，测量其特征结果，借此为模型针对该设备进行参数校正做准备。选取与实际加工相同的单晶硅片，进行清洗烘干，放入FIB设备抽真空。将设备机台旋转到离子束下后，选择离子能量30keV，离子电流48pA后，进行离子束调焦。以serpentine扫描模式加工3个2×3μm矩形结构，加工参数为：扫描次数为1次；驻留时间1ms；像素重叠率为50％；加工时间自动生成为78.9s。在加工结果上进行Pt聚焦离子束辅助沉积，然后多次切割截取加工结构的截面，保证截面位置在沉积保护层位置。将设备机台旋转到电子束下，进行扫描电子显微镜拍摄。因为三个加工结果均相同，证明了该结果能反映当前的加工环境。测量并获取图中刻蚀底部与沉积层的轮廓特征。

步骤S3，建立聚焦离子束刻蚀轮廓计算模型。

此处实际问题中，模型中P_s为扫描路径位置集合，N取3为入射离子分布阶数，w_dt和I_k分别为驻留时间与电流对溅射微结构开口宽度的影响参数，h_dt和I_d分别为驻留时间与电流对溅射微结构刻蚀深度的影响参数，Y为溅射产额函数，选取较为成熟的计算模型：

a_i,b_i,λ和σ为分布参数。q为沉积系数：

r为期望差函数描述沉积分布中心与入射分布中心的距离，取为扫描进程的线性函数：r(x)＝k·x，图4为本实施例参数设计模型轮廓计算结果图。

步骤S4，针对当前加工环境对聚焦离子束刻蚀轮廓计算模型参数进行优化。

具体实施方法为：

步骤S41，选取待优化参数，在不同设备，甚至同一FIB设备中，离子束电流值在加工中是一个动态稳定的数值，其离子束分布随着使用也会发生变化，因此[w_dt,I_k,,h_dt,I_d,a_i,,b_i,λ,σ]被选为待优化粒子。以设备上设定的离子束直径(Total Diameter)与标定电流值为基础，在一定范围内随机生成粒子参数的初始值；

步骤S42，将各组粒子独立并行带入模型以实验中工艺参数进行轮廓计算；

步骤S43，将各组轮廓计算结果取实验测量特征点位置，获取这些位置处的计算刻蚀深度与沉积层厚度,以计算值与实验测量结果之误差和作为适应值函数：

f＝∑ΔD

统计各粒子最小误差的参数和所有粒子的全局最小误差的参数：

P_i为单个粒子的局部最优位置和P_g为所有粒子的全局最优位置；

步骤S44，以当前各粒子最小误差的参数和所有粒子的全局最小误差的参数指导粒子在数据空间运动，通过计算迭代检索最优解,

其中r₁和r₂是[0,1]中的均匀随机数，ω，c₁和c₂是引导运动朝向惯性方向和向局部与全局最优方向靠拢的权重因子；

步骤S45，当全局最小误差即f(P_g)达到误差要求，或者迭代次数到达设定后，输出当前全局最优的参数集合P_g[w_dt,I_k,,h_dt,I_d,a_i,,b_i,λ,σ]作为优化与校正的结果。如5所示，图5为本实施例基础结构试加工实验结果与优化参数后轮廓模型计算结果。

步骤S5，针对待加工台阶型斜面结构进行工艺参数预估与设计，主要根据每层台阶尺寸设计各层加工尺寸，刻蚀深度，再依此设计实际工艺参数包括：扫描驻留时间dt,扫描次数p，和离子束像素重叠率O_p。

首先根据结构需求台阶数(8)与斜坡倾角(斜率为-1/3)计算出各台阶层的尺寸，包括每层深度与开口宽度。选取驻留时间为50μs，每一层的扫描次数均取为8次，像素重叠率为50％，宽度误差修正初步设定为△w为100nm。

表1微结构各层深度与开口加工参数

步骤S6，将步骤S5中设计的参数离子电流48pA和扫描驻留时间dt计算出模型参数w_dt,I_k,,h_dt,I_d，然后以转化后的参数带入模型进行轮廓预测计算。

步骤S7，比较分析步骤S6中模型计算结果与实际设计需求的差别，根据其误差修正相关参数返回步骤S4重新调整设计。若误差满足设计要求则设计完成，进行实际加工。最终加工参数为：离子能量30keV，离子电流48pA，驻留时间为50μs，每一层的扫描次数均取为10次，像素重叠率为50％，宽度误差修正为△w为180nm。实际加工结果如图6所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3，建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型；

2.根据权利要求1所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型为：

3.根据权利要求1所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S3建立聚焦离子束溅射刻蚀轮廓计算模型进一步包括：

S31，建立溅射过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布；

S32，建立再沉积过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布；

4.根据权利要求3所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S31中溅射过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布为多重高斯分布，其计算方法如下：

5.根据权利要求3或4所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S32中再沉积过程对加工区域轮廓形成演化的作用分布为单高斯分布，其计算方法如下：

6.根据权利要求5所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S33中单个扫描位置加工的轮廓变化计算为：

J_tot＝J_sput+J_red

所述步骤S34根据扫描策略重复叠加得到的最终加工轮廓为：

d＝P_s*J_tot

其中，P_s为扫描路径函数。

7.根据权利要求1所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中采用粒子群优化算法进行参数优化与校正，其进一步包括：

8.根据权利要求1所述的一种聚焦离子束刻蚀加工工艺参数的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中设计的参数包括：扫描驻留时间dt,扫描次数p，加工总时间T，扫描图形尺寸，和离子束像素重叠率O_p。