Модуль 2 «Зондовые методы исследования и диагностики» Практическое занятие 5 Анализ и препарирование наноструктур фокусированным ионным пучком

План занятия

1. Введение

2. Устройство и принцип работы системы с фокусированным ионным пучком

3. Модификация и препарирование наноструктур с применением фокусированного ионного пучка

Введение

Система с фокусированным ионным пучком (ФИП) – прецизионный прибор для быстрого и точного локального травления образцов и локального осаждения на них субмикронных структур. Он может использоваться для подготовки поперечных сечений образцов, получения их изображения с высоким контрастом, анализа зернистых структур, подготовки образцов с глубокими субмикронными ямами, изготовления микроэлектро-механических структур MEMS (micro electro-mechanical structures), локального нанесения металлических (Pt) и диэлектрических (SiO₂) слоев, внесения локальных изменений в электрические цепи интегральных микросхем, вырезания из образца тонких пластинок (фольг) для исследования их структуры на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) и других видов работ. Система была разработан для обеспечения нужд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, для лабораторий анализирующих дефекты в структурах, для центров контроля разработок и для лабораторий, исследующих поверхность образцов.

Устройство и принцип работы системы с фокусированным ионным пучком

Работа системы с фокусированным ионным пучком основана на сканировании поверхности образца фокусированным пучком ионов галлия. Прибор позволяет получать увеличенное изображение образца путем фиксации детектором вторичных электронов, выбиваемых с поверхности образца ионами галлия. Энергия ионов составляет 30 кэВ, поэтому они вызывают распыление поверхности образца в области сканирования. При увеличении тока пучка скорость распыления значительно возрастает, вызывая травление образца. При локальной подаче в область обработки паров металлоорганического или кремнийорганического соединений можно получить локальное осаждение соответствующего материала в области сканирования за счет разложения указанных соединений под действием пучка ионов. Разрешающая способность прибора при наблюдении, травлении и осаждении определяется размером пятна, создаваемого фокусированным ионным пучком, и зависит от величины тока пучка. При минимальном токе пучка 1 рА размер пятна составляет 8 нм. Однако, при таком токе пучка скорости травления и осаждения очень малы. Приемлемыми для большинства применений они становятся при токах пучка 70-1000 рА, когда размер пятна находится в пределах 25-80 нм.

В зависимости от площади поверхности, подвергаемой обработке, и тока пучка скорость травления может составлять от 10 до 1000 нм/мин. Скорость осаждения при тех же площадях составляет 0,1- 10 нм/мин.

Система FEI FIB 200 оснащена компьютеризированным предметным столиком с перемещением платформы в пределах 50х50х15 мм и поворотом предметного столика на 360⁰ с точностью до 1⁰. Точность позиционирования образца составляет 0,5 мкм. Кроме того, столик имеет возможность ручного наклона образца по отношению к пучку до 60⁰ с точностью 0,1⁰ (обычно используется наклон до 40⁰).

Увеличение при съемке образцов может меняться в пределах 248-800000х, однако наиболее удобны увеличения до 100000х. Рабочее расстояние от объекта до ионной колонны составляет 20 мм.

Проникновение ионов галлия вглубь образца не превышает нескольких десятков нанометров, поэтому наблюдение объектов под слоем диэлектрика при сканировании образца ионным пучком может оказаться невозможным, в отличие от наблюдения в оптическом и электронном микроскопах. При сканировании ионным пучком диэлектрика на его поверхности может накапливаться положительный заряд, который притягивает вторичные электроны, выбиваемые ионной бомбардировкой, и затрудняет наблюдение объекта, создавая зону затемнения из-за недостаточного количества вторичных электронов, попадающих на детектор. Однако, этот же эффект увеличивает контраст между проводящими и диэлектрическими слоями. Уменьшить его можно предварительным нанесением на поверхность образца тонких проводящих слоев металла или углерода. Расположение основных блоков и узлов прибора представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид прибора

Для проведения исследований образец помещается на предметный столик, расположенный в рабочей камере. С помощью механического и турбомолекулярного насосов в рабочей камере создается вакуум > 510^-5 мбар, а в ионной колонне с помощью гетероионного насоса создается вакуум > 710^-7 мбар. Источник галлия, расположенный в верхней части ионной колонны, нагревается до температуры плавления галлия (29,8 °С). При этом формируется капля, которая смачивает вольфрамовую иглу и напряжением 5-10 кВ на экстракторе вытягивается к ее острию с радиусом закругления 2-5 мкм, с которого происходит эмиссия ионов галлия. Дополнительное заострение покрытой слоем галлия иглы производится с помощью напряжения, подаваемого на другой электрод, называемый супрессором. Радиус закругления острия доводится до 2-5 нм за счет баланса сил поверхностного натяжения жидкого галлия и электростатического вытягивания. Поток галлия к острию иглы непрерывно восполняет потери галлия при испарении ионов. Схематическое изображение источника ионов галлия приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 . Схематическое изображение источника ионов галлия

Формирование и ход пучка ионов в ионной колонне показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема хода ионов в колонне системы с фокусированным ионным пучком

При отсутствии ускоряющего напряжения между источником и образцом эмиссионный ионный ток отводится на коллектор. При подаче на колонну ускоряющего напряжения 30 кВ формируется ионный пучок, который фокусируется двумя электростатическими линзами. Величина ионного тока регулируется с помощью апертурной диафрагмы. Управление пучком (сканирование) осуществляется квадрупольным электромагнитным дефлектором (отклоняющим устройством). Управление стигматизмом (фокусировкой пучка по разным осям) осуществляется октупольным дефлектором. Ускоренные до энергии 30 кэВ ионы Ga⁺ бомбардируют поверхность образца, вызывая его распыление. При этом образуются вторичные электроны, которые фиксируются детектором, расположенным под углом 45° к падающему пучку ионов. Сигналы с детектора преобразуются в видеосигналы, отображаемые на экране монитора. Скорости сканирования образца и развертки изображения на экране монитора синхронизированы. Увеличение прибора определяется отношением размера области сканирования к размеру экрана. Для увеличения скорости травления канавок в образце к месту обработки через полую иглу подается химически активный газ (пары йода) из устройства подачи газов GIS (gas injection system). Для локального осаждения металлических или диэлектрических слоев к месту обработки подаются металлорганические или кремнийорганические соединения через другие устройства GIS.