CN110409000A - 一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法 - Google Patents

一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，该方法包括：(1)建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数；(2)确定标定实验工艺参数；(3)进行标定实验；(4)通过遗传算法，建立损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型；(5)建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型；(6)预测目标加工损伤轮廓。本发明建立了He离子束加工单晶硅的轮廓函数，并基于少量的He离子束加工单晶硅的实验数据，建立了一个损伤轮廓模型，通过该模型可以实现对目标的加工损伤轮廓的预测，具有成本低、效率高的优点，同时具有普适性。

Description

一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法
技术领域
本发明涉及MEMS微机电系统聚焦He离子束加工单晶硅，尤其涉及一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法。
背景技术
聚焦离子束(Focused Ion Beam，简称FIB)加工工艺是一种重要的微机电系统加工方法，其通过高能离子束轰击基底材料表面以去除材料而进行微纳结构的直接加工。它采用液态离子源发射束经过加速聚焦后作为入射束，可以用来对材料和器件进行刻蚀、沉积、离子注入等微纳加工。FIB技术具有丰富的功能，并因其灵活的加工特性，在微纳米结构制备、材料分析等领域展现独特的优势，并得到了广泛的应用。聚焦离子束主要用于IC芯片电路修改、透射电镜(TEM)样片制备、材料三维成像与鉴定分析、截面分析、微纳结构力学性能测试等。
聚焦离子束加工微纳结构的原理是溅射，离子束入射到基底材料表面时，会与基底原子的原子核及核外电子相互作用，将能量传递给基底原子，基底原子获得能量脱离基底，离子束去除基底材料的物理过程称为溅射刻蚀。与传统的Ga离子束加工不同，近年来新兴的He离子束加工技术具有溅射产额小、成像分辨率高等特点，能够满足更高精度的微纳米结构加工，拥有广泛的应用前景。由于He离子束加工溅射的基底原子数量少，并不能加工出明显的微纳米结构，所以入射离子只能在被加工区域造成非晶化损伤。在He离子束加工单晶硅过程中，影响加工的许多重要参数决定了损伤轮廓的形貌，例如离子能量影响损伤轮廓的颈部长度；离子剂量影响损伤区域的深度、宽度和开口大小。
目前，大多数关于He离子束加工单晶硅的加工损伤轮廓的研究多是基于理论模拟，常用的方法有分子动力学、蒙特卡洛研究方法，不同的研究人员和研究方法所考虑的工艺参数均不相同，如FIB工艺中的离子能量、离子电流、驻留时间、几何扫描参数、离子剂量和束流半高宽等工艺参数都是研究人员根据需求设定的。而工艺参数中在原理上存在着联动关系，例如在保持离子剂量不变情况下，驻留时间与扫描时间的增加会降低离子电流，在实际加工中由于设备限制，无法有效地对某些工艺参数进行控制，因此需要结合设备环境来建立合理的工艺参数方案。此外，由于实验设备的影响，受实验设备限制的工艺参数，在加工过程中存在设计值与实际加工值误差很大的情况，如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，而随着离子电流的动态变化，离子束几何分布会受到影响，设备的算法依然以原始设置进行计算，导致加工误差很大，那么根据设备环境建立标定实验，结合实验结果进行损伤轮廓的研究就很有必要。但是目前尚未有可靠的从设备环境出发，并结合实验的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法。
发明内容
发明目的：针对目前尚未出现可靠的He离子束加工损伤轮廓确定这一问题，本发明提供了一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法。
技术方案：本发明He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，包括以下步骤：
S1.基于He离子束加工单晶硅的作用机理，结合入射离子及反冲原子在基底运动造成的非晶化损伤规律，建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数；
S2.确定标定实验工艺参数：根据实验设备环境，确定相关工艺参数，制定其它工艺参数的变化策略；
S3.进行标定实验：确定部分工艺参数后，采用步骤S2中制定的工艺参数变化策略，进行实验加工，得到损伤轮廓数据；
S4.通过遗传算法，建立损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型；
S5.建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型；
S6.预测目标加工损伤轮廓：将目标预测轮廓的工艺参数值代入步骤S5中的轮廓模型中作轮廓预测计算，分析比较计算结果与加工实际轮廓误差。
步骤S1中，He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数为：
其中，r为损伤轮廓径向宽度尺寸，d为损伤轮廓轴向深度尺寸，a1为最大深度影响系数，a2为最大宽度影响系数，N为最大宽度所处深度的影响系数，c为开口宽度的影响系数。
步骤S4中，对应工艺参数变化策略下得到轮廓参数，通过遗传算法计算所对应的损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c，建立损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与工艺参数的关系模型为：
a1＝w10+w11·P1+w12·P2+…+w1n·Pn
a2＝w20+w21·P1+w22·P2+…+w2n·Pn
N＝w30+w31·P1+w32·P2+…+w3n·Pn
c＝w40+w41·P1+w42·P2+…+w4n·Pn
其中，wi1为工艺参数1对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，wi2为工艺参数2对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，win为工艺参数n对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，wn0为常数项，1≤i≤4。
步骤S5中，He离子束加工单晶硅的损伤轮廓模型为：将损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型，代入到He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数中，则最终损伤轮廓模型为：
其中，r为损伤轮廓径向宽度尺寸，d为损伤轮廓轴向深度尺寸，a1(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓最大深度的影响系数，a2(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓最大宽度的影响系数，N(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓中，最大宽度所处深度的影响系数，c(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓开口宽度的影响系数。
工作原理：本发明首先建立了He离子束加工单晶硅的轮廓函数，并基于少量的He离子束加工单晶硅的实验数据，建立了一个损伤轮廓模型，通过该模型可以实现目标加工损伤轮廓的预测与设计，即预测不同剂量下、不同能量下的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓。
本发明基于He离子束加工单晶硅的作用机理：离子刚入射到基底表面时，离子能量大，离子在基底运动过程中所受电子阻止作用明显，入射离子运动偏转角小，入射离子沿径向扩散少，沿轴向垂直方向运动；随着入射离子沿入射方向的运动，入射离子能量不断降低，离子所受电子阻止作用减弱、核阻止作用增强，入射离子和反冲原子的运动偏转角变大，入射离子沿径向方向扩散逐渐增大，最后在基底中的分布向外呈凸起状。
有益效果：相比于反复实验调整和经验化的轮廓预测，本发明的损伤轮廓模型可以直接实现损伤轮廓的预测与调整，预测结果合理，计算模型简单易操作、成本低、效率高。此外，本发明具有很高的普适性，对与单晶硅具有相似加工特性的基底材料，也可以依据该技术方案，建立不同材料的损伤轮廓模型，经由模型确定He离子束加工不同材料的损伤轮廓。
附图说明
图1为本发明He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法的全过程流程图；
图2为本发明实施例1中实际损伤轮廓和损伤轮廓模型预测结果；
图3为本发明实施例2中损伤轮廓模型预测结果；
图4为本发明实施例3中实际损伤轮廓和损伤轮廓模型预测结果；
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，加工对象为单晶硅晶片；目标为，预测离子能量35KeV、离子电流1.6pA、离子剂量70nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓；包括以下步骤：
S1.建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数为：
其中，r为损伤轮廓径向宽度尺寸，d为损伤轮廓轴向深度尺寸，a1为最大深度影响系数，a2为最大宽度影响系数，N为最大宽度所处深度的影响系数，c为开口宽度的影响系数。
S2.确定标定实验工艺参数：根据实验设备环境，确定离子能量E＝35KeV、离子电流I＝1.6pA、像素重叠率O＝50％、扫描线长度L＝10μm；依据设备内部算法、束流半高宽fwhm＝0.5nm；制定离子剂量D变化策略为D＝20/40/60/80/100nC/μm2；
S3.进行标定实验：确定工艺参数后，进行采用步骤S2中制定的工艺参数变化策略，进行线结构的扫描加工，然后进行TEM样品制备，以线结构的横截面代替单像素点进行轮廓标定，得到损伤轮廓数据；
S4.通过遗传算法，损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型：基于损伤轮廓数据和轮廓函数，通过遗传算法计算函数四个系数值，损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型为：
a1＝273.5+0.7362·D
a2＝82.68+8.19·D
N＝9.504-0.0441·D
c＝17.33+0.2528·D
S5.建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型：将损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型，代入到He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数中，则最终损伤轮廓模型为：
S6.预测目标加工损伤轮廓：将实验目标中，属于变化工艺参数的离子剂量70nC/μm2代入步骤S5中的计算模型中作轮廓预测计算，如图2所示为预测轮廓与实际轮廓。至此，离子能量35KeV、离子电流1.6pA、离子剂量70nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓预测完成。
实施例2
加工对象为单晶硅晶片；目标为，预测离子能量35KeV、离子电流1.6pA、离子剂量50nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓；
S1.建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数为：
S2.确定标定实验工艺参数：根据实验设备环境，确定离子能量E＝35KeV、离子电流I＝1.6pA、像素重叠率O＝50％、扫描线长度L＝10μm；依据设备内部算法、束流半高宽fwhm＝0.5nm；制定离子剂量D变化策略为D＝20/40/60/80/100nC/μm2；
S3.进行标定实验：确定工艺参数后，进行采用步骤S2中制定的工艺参数变化策略，进行线结构的扫描加工，然后进行TEM样品制备，以线结构的横截面代替单像素点进行轮廓标定，得到损伤轮廓数据；
S4.通过遗传算法，建立损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型：基于损伤轮廓数据和轮廓函数，通过遗传算法计算函数四个系数值，损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型为：
a1＝273.5+0.7362·D
a2＝82.68+8.19·D
N＝9.504-0.0441·D
c＝17.33+0.2528·D
S5.建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型：将损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型，代入到He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数中，则最终损伤轮廓模型为：
S6.预测目标加工损伤轮廓：将实验目标中，属于变化工艺参数的离子剂量50nC/μm2带入步骤S5中的计算模型中作轮廓预测计算，如图3所示为预测轮廓。至此，离子能量35KeV、离子电流1.6pA、离子剂量50nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓预测完成。
实施例3
加工对象为单晶硅晶片；目标为，预测离子能量15KeV、离子电流1.6pA、离子剂量70nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓；
S1.建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数为：
S2.确定标定实验工艺参数：根据实验设备环境，确定离子能量E＝15KeV、离子电流I＝1.6pA、像素重叠率O＝50％、扫描线长度L＝10μm；依据设备内部算法、束流半高宽fwhm＝0.5nm；制定离子剂量D变化策略为D＝20/40/60/80/100nC/μm2；
S3.进行标定实验：确定工艺参数后，进行采用步骤S2中制定的工艺参数变化策略，进行线结构的扫描加工，然后进行TEM样品制备，以线结构的横截面代替单像素点进行轮廓标定，得到损伤轮廓数据；
S4.通过遗传算法，损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型：基于损伤轮廓数据和轮廓函数，通过遗传算法计算函数四个系数值，损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型为：
a1＝138.2+0.51·D
a2＝128.5+2.538·D
N＝5.738-0.0372·D
c＝16.8+0.201·D
S5.建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型：将损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与离子剂量D的关系模型，代入到He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数中，则最终损伤轮廓模型为：
S6.预测目标加工损伤轮廓：将实验目标中，属于变化工艺参数的离子剂量70nC/μm2带入步骤S5中的计算模型中作轮廓预测计算，如图4所示为预测轮廓与实际轮廓。至此，离子能量15KeV、离子电流1.6pA、离子剂量70nC/μm2下He离子束加工单晶硅单像素点的损伤轮廓预测完成。

Claims (5)

1.一种He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
(S1)建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数；
(S2)确定标定实验工艺参数；
(S3)进行标定实验：确定部分工艺参数后，采用步骤(S2)中制定的工艺参数变化策略，进行实验加工，得到损伤轮廓数据；
(S4)通过遗传算法，建立损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型；
(S5)建立He离子束加工单晶硅损伤轮廓模型；
(S6)预测目标加工损伤轮廓：将目标预测轮廓的工艺参数值代入步骤(S5)中的轮廓模型中作轮廓预测计算，分析比较计算结果与加工实际轮廓误差。
2.根据权利要求1所述的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，其特征在于：步骤(S1)中，He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数为：
其中，r为损伤轮廓径向宽度尺寸，d为损伤轮廓轴向深度尺寸，a1为最大深度影响系数，a2为最大宽度影响系数，N为最大宽度所处深度的影响系数，c为开口宽度的影响系数。
3.根据权利要求1所述的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，其特征在于：步骤(S4)中，对应工艺参数变化策略得到轮廓参数，通过遗传算法计算所对应的损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c，建立损伤轮廓函数系数a1、a2、N、c与工艺参数的关系模型为：
a1＝w10+w11·P1+w12·P2+…+w1n·Pn
a2＝w20+w21·P1+w22·P2+…+w2n·Pn
N＝w30+w31·P1+w32·P2+…+w3n·Pn
c＝w40+w41·P1+w42·P2+…+w4n·Pn
其中，wi1为工艺参数1对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，wi2为工艺参数2对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，win为工艺参数n对第i个损伤轮廓函数系数的影响参数，wn0为常数项，1≤i≤4。
4.根据权利要求1所述的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，其特征在于：步骤(S5)中，将损伤轮廓函数系数与工艺参数的关系模型，代入到He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数中，则最终He离子束加工单晶硅的损伤轮廓模型为：
其中，r为损伤轮廓径向宽度尺寸，d为损伤轮廓轴向深度尺寸，a1(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓最大深度的影响系数，a2(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓最大宽度的影响系数，N(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓中，最大宽度所处深度的影响系数，c(P1，P2，…，Pn)为工艺参数对损伤轮廓开口宽度的影响系数。
5.根据权利要求1所述的He离子束加工单晶硅的损伤轮廓确定方法，其特征在于：步骤(S1)中，基于He离子束加工单晶硅的作用机理，结合入射离子及反冲原子在基底运动造成的非晶化损伤规律，建立He离子束加工单晶硅的损伤轮廓函数。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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