CN110851976B - 一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于元胞自动机的聚焦离子束辅助沉积结构轮廓的计算方法，该方法包括：(S1)根据实验仪器的参数，确定基底表面前驱气体场的分布；(S2)根据实验加工选择的参数，计算在聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子的数目；(S3)根据连续模型，考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系；(S4)建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；(S5)建立元胞自动机中，元胞占有量，种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；(S6)根据实际加工时间，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较。本发明具有成本低、效率高的优点，同时具有普适性。

Description

一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法

技术领域

本发明涉及MEMS微机电系统聚焦离子束辅助增材制造，尤其涉及一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法。

背景技术

聚焦离子束在微纳领域是一种强大的加工工具。由于它的高分辨率，无需掩模，加工结构集中等特点，现在广泛地应用在微传感器的制造，生物样品的制备，光学器件的加工，IC电路修补等方面。配合气体注入系统(GIS)，可以实现聚焦离子束诱导的辅助沉积和增强刻蚀。其功能的不同取决于前驱气体是否与样品表面发生反应。聚焦离子束辅助沉积是一种有力的三维微纳结构加工手段，控制好加工参数以及离子束与样品台之间的相对运动，可以加工出十分复杂的结构。其反应过程十分复杂，一般认为，前驱气体通过气相管注入真空腔内，吸附在样品的表面。离子通过液态金属离子源，经过一系列的加速电压和偏转电极，垂直入射到样品的表面。入射的离子不与吸附气体发生直接反应，而是将能量传递给样品表面的原子，这些原子称为表面激活原子。这些表面激活原子再将能量传递给吸附在样品表面的气体分子，使其发生分解成挥发部分和非挥发部分。挥发部分被真空泵抽走，非挥发部分留在样品表面，形成沉积结构。因此，沉积结构的生长与前驱气体，入射离子和基底原子相关，这之间的复杂关系需要引入计算机辅助模拟，来协助用最优参数加工出预期结构。目前，主流的模拟方法主要有连续模型和蒙特卡洛法。连续模型注重沉积速率的计算，认为沉积速率与前驱气体分子数和入射离子通量成正比。蒙特卡洛法研究粒子的运动轨迹，来决定沉积反应发生的位置。实际上，前驱气体在基底表面的分布是不均匀的，因此，前驱气体的吸附速率会随着离子束探针和气相管之间的距离变化发生相应的变动；并且由于离子束照射区域的气体分子发生分解，区域内浓度低于外部，根据菲克定律，外部的气体将会向内部扩散，补充消耗，提高沉积效率；在沉积发生的同时，刻蚀同样存在，影响沉积结构的最终形貌。此外，元胞自动机已经广泛地运用于聚焦离子束刻蚀的模拟中，其界面捕捉的准确性和计算的快速性，意味着其也可以被运用在聚焦离子束辅助沉积中。连续元胞自动机在元胞自动机的基础上，给元胞引入了占有量这一参数，用来量化元胞状态的变化过程，更具有连续性。

发明内容

发明目的：针对目前模拟方法中，没有全面考虑前驱气体的分布，扩散效应，刻蚀效应来确定沉积结构轮廓确定这一问题，本发明提供了一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法。

技术方案：本发明的一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法，包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布；

S2.根据实验加工选择的参数，计算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目；

S3.根据连续模型，在此基础上考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系；

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量、种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较。

步骤S1中所述的确定前驱气体场的分布利用前驱气体分子发射概率模型，前驱气体分子由气相管注入真空腔内，在不同方向上的发射概率为：

其中，γ是竖直面内发射方向与垂直方向的夹角，/>是水平面内发射方向与气相管中轴线的夹角，p₁,p₂是适应因子，k(p₁,p₂)是与p₁,p₂相关的常数，使得所有方向上的概率之和为1。

步骤S2中所述的算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目需要考虑前驱气体分子在基底表面的吸附，扩散，分解和自解吸，将基底表面进行离散化处理，计算每一个小单元上的前驱气体分子数目，吸附，扩散，分解和自解吸这四种运动形式对于数目的贡献可如下计算：

Dep_diss(i,j)＝σ·f(i,j)·n(i,j)

其中，i,j是离散单元在基底表面上两个维度的坐标，Dep_diss是气体分解的贡献，Dep_des是自解吸的贡献，Com_flux是气体吸附的贡献，Com_diff是气体扩散的贡献，σ是碰撞截面，f是入射离子通量，n是前驱气体分子数目，τ是寿命时间，S是吸附概率，J是前驱气体通量，n₀是小单元中所能容纳前驱气体分子的最大个数，D是扩散系数。

步骤S3中所述沉积结构生长速率为：

R_d(r,t)＝V·σ·f(r,t)·n(r,t)

其中，r是与离子束中心的距离，t是当前时刻，R_d是沉积速率，V是沉积结构原子体积；刻蚀速率为：

R_s(r,t)＝V·f(r,t)·Y_s(r,t)

其中，R_s是溅射速率，Y_s是溅射产额，因此，沉积结构生长速率与前驱气体分子数目之间的函数关系表达为

R_n(r,t)＝V·f(r,t)·(σ·n(r,t)-Y_s(r,t))

其中，R_n是净沉积速率。

步骤S4中所述元胞种类分为基底元胞，沉积结构元胞和真空元胞。

步骤S5中所述元胞占有量的更新函数表达为：

其中，ρ是占有量，i,j,k是元胞在三维空间中的坐标，m是净沉积速率与占有量之间的比值；

元胞种类的转换函数表示为：

其中，C表示元胞，ω是占有量的最大值；

沉积结构轮廓元胞捕捉函数表示为：

工作原理：本发明首先建立了前驱气体在基底表面的分布模型，根据前期气体分布场确定当地前驱气体通量，并在离子束照射区域内，考虑了前驱气体的吸附，扩散，分解和自解吸，得到区域内前驱气体分子数目；建立了沉积结构生长速率与前驱气体分子数目之间的函数关系，将生长速率引入到连续元胞自动机中，捕捉沉积结构的动态轮廓，并确定最终形貌。通过该模型可以实现目标沉积结构轮廓的预测与设计，即预测不同加工参数下，聚焦离子束辅助沉积结构的轮廓。

本发明基于聚焦离子束辅助沉积的基本原理：前驱气体通过气相管注入真空腔内，吸附在样品的表面。离子通过液态金属离子源，经过一系列的加速电压和偏转电极，垂直入射到样品的表面。入射离子将能量传递给样品表面的激活原子。表面激活原子再将能量传递给吸附在样品表面的气体分子，使其发生分解成挥发部分和非挥发部分。挥发部分被真空泵抽走，非挥发部分留在样品表面，形成沉积结构。

有益效果：相比于反复实验调整和经验化的轮廓预测，本发明的沉积结构轮廓模型可以直接实现沉积结构轮廓的预测与调整，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，对于不同的前驱气体和基底材料，也可以依据该技术方案，建立不同材料的沉积结构轮廓模型，经由模型确定聚焦离子束辅助沉积不同材料的沉积结构轮廓。

附图说明

图1为本发明聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法的全过程流程图；

图2为本发明前驱气体发射概率模型示意图。

图3为连续元胞自动机的示意图。

图4为根据本发明使用的实验仪器，得到的前驱气体分布场的模拟结果。

图5为本发明实施例1中，聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子数目分布的模拟结果。

图6为本发明实施例1中，聚焦离子束照射区域内，沉积结构净沉积速率的模拟结果。

图7为本发明实施例1中实验沉积结构。

图8为本发明实施例1中实际沉积结构轮廓和沉积结构轮廓模型预测结果。

图9为本发明实施例2中，聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子数目分布的模拟结果。

图10为本发明实施例2中，聚焦离子束照射区域内，沉积结构净沉积速率的模拟结果。

图11为本发明实施例2中实验沉积结构。

图12为本发明实施例2中实际沉积结构轮廓和沉积结构轮廓模型预测结果；

图13为本发明实施例3中，聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子数目分布的模拟结果。

图14为本发明实施例3中，聚焦离子束照射区域内，沉积结构净沉积速率的模拟结果。

图15为本发明实施例3中实验沉积结构。

图16为本发明实施例3中实际沉积结构轮廓和沉积结构轮廓模型预测结果。

具体实施方式

本发明的一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法，包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布；

S2.根据实验加工选择的参数，计算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目；

S3.根据连续模型，在此基础上考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系；

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量、种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较。

步骤S1中所述的确定前驱气体场的分布利用前驱气体分子发射概率模型，前驱气体分子由气相管注入真空腔内，在不同方向上的发射概率为：

其中，γ是竖直面内发射方向与垂直方向的夹角，/>是水平面内发射方向与气相管中轴线的夹角，p₁,p₂是适应因子，k(p₁,p₂)是与p₁,p₂相关的常数，使得所有方向上的概率之和为1。

步骤S2中所述的算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目需要考虑前驱气体分子在基底表面的吸附，扩散，分解和自解吸，将基底表面进行离散化处理，计算每一个小单元上的前驱气体分子数目，吸附，扩散，分解和自解吸这四种运动形式对于数目的贡献可如下计算：

Dep_diss(i,j)＝σ·f(i,j)·n(i,j)

其中，i,j是离散单元在基底表面上两个维度的坐标，Dep_diss是气体分解的贡献，Dep_des是自解吸的贡献，Com_flux是气体吸附的贡献，Com_diff是气体扩散的贡献，σ是碰撞截面，f是入射离子通量，n是前驱气体分子数目，τ是寿命时间，S是吸附概率，J是前驱气体通量，n₀是小单元中所能容纳前驱气体分子的最大个数，D是扩散系数。

步骤S3中所述沉积结构生长速率为：

R_d(r,t)＝V·σ·f(r,t)·n(r,t)

其中，r是与离子束中心的距离，t是当前时刻，R_d是沉积速率，V是沉积结构原子体积；刻蚀速率为：

R_s(r,t)＝V·f(r,t)·Y_s(r,t)

其中，R_s是溅射速率，Y_s是溅射产额，因此，沉积结构生长速率与前驱气体分子数目之间的函数关系表达为

R_n(r,t)＝V·f(r,t)·(σ·n(r,t)-Y_s(r,t))

其中，R_n是净沉积速率。

步骤S4中所述元胞种类分为基底元胞，沉积结构元胞和真空元胞。

步骤S5中所述元胞占有量的更新函数表达为：

其中，ρ是占有量，i,j,k是元胞在三维空间中的坐标，m是净沉积速率与占有量之间的比值；

元胞种类的转换函数表示为：

其中，C表示元胞，ω是占有量的最大值；

沉积结构轮廓元胞捕捉函数表示为：

下面结合具体的实施例进一步说明本发明的方法：

实施例1:

基底为单晶硅晶片，前驱气体为甲基环戊二烯合铂；目标为，预测离子能量30keV、离子电流7pA、驻留时间为1μs，补充时间为12μs，总加工时间为196s下Ga离子束辅助沉积立柱结构的轮廓；包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布。实验所使用的仪器为FEIHelios G4，气相管的内直径为600μm，气相管的倾斜角度为53°，与基底表面之间的距离为150μm，其模拟分布场结果如图4所示。

S2.根据实验加工选择的参数，考虑前驱气体的吸附，扩散，分解，自解吸，计算在聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子的数目；实验中，离子束探针与气相管之间的距离为52.22μm，考虑吸附，扩散，分解和自解吸，计算得到离子束照射区域内的前驱气体分子数n(i,j),如图5所示。

S3.根据连续模型，得到沉积结构生长速率的计算公式，即：

R_d(r,t)＝V·σ·f(r,t)·n(r,t)

考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系，得到净沉积速率为R_n(i,j)，如图6所示。

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量，种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间196s，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较，如图8所示。

实施例2

基底为单晶硅晶片，前驱气体为甲基环戊二烯合铂；目标为，预测离子能量30keV、离子电流7pA、驻留时间为1μs，补充时间为12μs，总加工时间为196s下Ga离子束辅助沉积立柱结构的轮廓；包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布。实验所使用的仪器为FEIHelios G4，气相管的内直径为600μm，气相管的倾斜角度为53°，与基底表面之间的距离为150μm。

S2.根据实验加工选择的参数，考虑前驱气体的吸附，扩散，分解，自解吸，计算在聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子的数目；实验中，离子束探针与气相管之间的距离为252.22μm，考虑吸附，扩散，分解和自解吸，计算得到离子束照射区域内的前驱气体分子数n(i,j),如图9所示。

S3.根据连续模型，考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系，得到净沉积速率为R_n(i,j)，如图10所示。

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量，种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间196s，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较，如图12所示。

实施例3

基底为单晶硅晶片，前驱气体为甲基环戊二烯合铂；目标为，预测离子能量30keV、离子电流7pA、驻留时间为1μs，补充时间为12μs，总加工时间为196s下Ga离子束辅助沉积立柱结构的轮廓；包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布。实验所使用的仪器为FEIHelios G4，气相管的内直径为600μm，气相管的倾斜角度为53°，与基底表面之间的距离为150μm。

S2.根据实验加工选择的参数，考虑前驱气体的吸附，扩散，分解，自解吸，计算在聚焦离子束照射区域内，前驱气体分子的数目；实验中，离子束探针与气相管之间的距离为352.22μm，考虑吸附，扩散，分解和自解吸，计算得到离子束照射区域内的前驱气体分子数n(i,j),如图13所示。

S3.根据连续模型，考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系，得到净沉积速率为R_n(i,j)，如图14所示。

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，根据实际情况进行元胞种类，占有量的分配及初始化；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量，种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间196s，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较，如图16所示。

以上所述尽是本发明的优选实施方式，应指出：对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下依旧可以做出若干改进，这些改进亦应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1.根据实验仪器的参数，确定前驱气体场的分布；

S2.根据实验加工选择的参数，计算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目；

S3.根据连续模型，在此基础上考虑刻蚀，建立沉积结构生长速率和前驱气体分子数目的函数关系；

S4.建立连续元胞自动机元胞空间，进行元胞种类、占有量的分配及初始化；所述元胞种类分为基底元胞，沉积结构元胞和真空元胞；

S5.建立元胞自动机中，元胞占有量、种类的更新函数，沉积结构轮廓元胞的捕捉函数；

S6.根据实际加工时间，追踪动态变化的沉积结构轮廓，确定最终轮廓，并与实验结果相比较；

步骤S2中所述的计算在聚焦离子束照射区域内前驱气体分子的数目需要考虑前驱气体分子在基底表面的吸附、扩散、分解和自解吸，将基底表面进行离散化处理，计算每一个小单元上的前驱气体分子数目，吸附、扩散、分解和自解吸这四种运动形式对于数目的贡献可如下计算：

Dep_diss(i,j)＝σ·f(i,j)·n(i,j)

其中，i,j是离散单元在基底表面上两个维度的坐标，Dep_diss是气体分解的贡献，Dep_des是自解吸的贡献，Com_flux是气体吸附的贡献，Com_diff是气体扩散的贡献，σ是碰撞截面，f是入射离子通量，n是前驱气体分子数目，τ是寿命时间，S是吸附概率，J是前驱气体通量，n₀是小单元中所能容纳前驱气体分子的最大个数，D是扩散系数；

步骤S3中所述沉积结构生长速率为：

R_d(r,t)＝V·σ·f(r,t)·n(r,t)

其中，r是与离子束中心的距离，t是当前时刻，R_d是沉积速率，V是沉积结构原子体积；刻蚀速率为：

R_s(r,t)＝V·f(r,t)·Y_s(r,t)

其中，R_s是溅射速率，Y_s是溅射产额，因此，沉积结构生长速率与前驱气体分子数目之间的函数关系表达为

R_n(r,t)＝V·f(r,t)·(σ·n(r,t)-Y_s(r,t))

其中，R_n是净沉积速率。

2.根据权利要求1所述的聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法，其特征在于：步骤S1中所述的确定前驱气体场的分布利用前驱气体分子发射概率模型，前驱气体分子由气相管注入真空腔内，在不同方向上的发射概率为：

其中，γ是竖直面内发射方向与垂直方向的夹角，/>是水平面内发射方向/>与气相管中轴线的夹角，p₁,p₂是适应因子，k(p₁,p₂)是与p₁,p₂相关的常数，使得所有方向上的概率之和为1。

3.根据权利要求1所述的聚焦离子束辅助沉积结构轮廓确定方法，其特征在于：步骤S5中所述元胞占有量的更新函数表达为：

其中，ρ是占有量，i,j,k是元胞在三维空间中的坐标，m是净沉积速率与占有量之间的比值；

元胞种类的转换函数表示为：

其中，C表示元胞，ω是占有量的最大值。