Практическое занятие 3 Устройство и принцип работы системы с фокусированным ионным пучком

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. Он был 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 оснащен 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 полезным является увеличение 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. Зато 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

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 электростати-ческого 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. 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.

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.

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

Взаимодействие ионного пучка с образцом

Рассмотрим основные закономерности процессов, протекающих при бомбардировке ионами галлия поверхности твердого тела. Представленная на рисунке 4 упрощенная схема иллюстрирует основные физические явления, происходящие при взаимодействии ионов с образцом.

Рисунок 4 – Взаимодействие иона галлия с кристаллом

Ионы, имеющие высокую кинетическую энергию, внедряются в материал. На пути своего движения они испытывают упругие и неупругие столкновения с ядрами атомов и электронами вещества. Происходят смещение и возбуждение атомов, изменение структуры материала в зоне столкновений. Бомбардирующие ионы частично отражаются от поверхности, причем они могут изменить в процессе обратного рассеяния свое зарядовое состояние. Происходит удаление с поверхности (распыление) атомов материала, которые также могут находиться в различном зарядовом состоянии. Взаимодействие сопровождается вторичной электронной эмиссией, электромагнитным излучением, спектр которого простирается от инфракрасного до рентгеновского. Более 90% энергии бомбардирующего иона трансформируется в тепловые колебания атомов материала, т.е. расходуется на разогрев обрабатываемого образца.

Современные представления дают следующую картину взаимодействия. Бомбардирующий ион внедряется в материал и на пути своего движения испытывает столкновения с ядрами атомов и электронами как свободными, так и связанными. При этих столкновениях он теряет свою энергию и останавливается. Возможны два пути передачи ионом энергии обрабатываемому материалу: в упругих столкновениях с ядрами атомов и в неупругих – с электронами. Различие характера столкновений определяется примерным равенством масс иона и атома и существенным различием масс иона и электрона. Иначе говоря, ион высокой энергии испытывает в материале ядерное и электронное торможение.

Результатом упругих столкновений является рассеяние бомбардирующих ионов, в том числе их обратное рассеяние из материала, усиление колебаний атомов вокруг своих равновесных положений, что эквивалентно разогреву материала, смещение атомов, приводящее к образованию точечных дефектов в материале. В случае, когда энергия и импульс бомбардирующего иона в результате упругих столкновений смещенных атомов передаются обратно на поверхность, происходит распыление материала. Энергия иона в упругих столкновениях теряется дискретно, так как поверхностная плотность атомов достаточно мала 10¹⁶ , что позволяет рассматривать взаимодействие иона с ними как независимые парные взаимодействия атомных частиц.

Неупругие столкновения обуславливают явления возбуждения и ионизации атомов и молекул, диссоциации молекул в результате передачи энергии электронам на атомных орбиталях, а также возбуждения всей электронной подсистемы обрабатываемого материала. Кинетическая энергия взаимодействующих частиц уменьшается за счет превращения ее во внутреннюю энергию атомов. Вероятность возбуждения максимальна, когда скорость иона близка к орбитальной скорости электрона. Для этого энергия иона должна быть достаточно велика. В результате неупругих столкновений возникают: электромагнитное излучение, вторичная электронная эмиссия с поверхности материала, зарядка распыленных частиц материала, перезарядка обратно рассеянных ионов. Поскольку плотность электронного газа высока, столкновения ионов с электронами настолько многочисленны, что процесс электронного торможения можно рассматривать как процесс, сопровождающийся непрерывной потерей энергии. В результате торможения ион останавливается на каком-то расстоянии от поверхности λ, а среднее расстояние, на которое ионы проникают в материал, равно:

, (1)

где Е₀ – начальная энергия ионов , N - плотность атомов материала, - ядерная тормозная способность, - электронная тормозная способность.

В таблице 1 и рисунке 5 приведены скорости распыления разных материалов при нормальном падении электронов на поверхность поликристаллической мишени.

Таблица 1 – Скорости распыления основных материалов наноинженерии.

Материал	Скорость распыления мкм3/нК	Материал	Скорость распыления мкм3/нК
Si	0,27	Cr	0,1
Термический SiO2	0,24	Fe	0,29
Al	0,3	Ni	0,14
Al2O3	0,08	Cu	0,25
GaAs	0,61	Mo	0,12
InP	1,2	Ta	0,32
Au	1,5	W	0,12
TiN	0,15	MgO	0,15
Si3N4	0,2	TiO	0,15
C	0,18	Fe2O3	0,25
Ti	0,37	Pt	0,23
Напыленный SiO2	0,24	ПММА	0,4

Рисунок 5 – Зависимости скорости распыления и температуры плавления от атомного номера элемента

Однако приведенные значения существенно изменяются при наклоне ионного пучка. Зависимость выхода ионов отдачи, определяющая скорость травления, при изменении угла падения, характеризуется рисунком 6. Также скорость травления зависит от энергии падающих ионов и их плотности (ионного тока).

С ростом угла наклона  (угол между направлением пучка и нормалью к поверхности) растёт вероятность рассеяния ионов вдоль направления параллельного поверхности, и каскад столкновений разворачивается к поверхности. Поэтому возрастает вероятность столкновения ионов с приповерхностными атомами и, соответственно, возрастает отношение числа атомов, покидающих решетку, к числу столкновений. Однако при углах падения, больших 75, возрастает вероятность того, что ион, вошедший в решетку, покинет её в результате чисто упругих взаимодействий, поэтому выход атомов отдачи падает. На рисунке 6 приведены кривые, характеризующие зависимость скорости распыления Si от угла падения для ионов Ga⁺ с разными энергиями. На врезке к этому рисунку приведена схема, разъясняющая механизм увеличения выхода продуктов распыления с увеличением угла падения .

Рисунок 6 – Зависимости выхода продуктов распыления Si от энергии ионов и угла падения

Проблемой, с которой сталкиваются технологии ФИП, является проблема нарушений кристаллической решетки вплоть до аморфизации приповерхностных слоев. Один из способов преодоления аморфизации – переход от распыления/травления пучками, нормальными поверхности мишени к наклонным пучкам или ионному фрезерованию. Однако при использовании наклонных пучков невозможно получить фигуры с вертикальными стенками. Более перспективным является подход, связанный со снижением энергии ионного пучка, хотя это снижение сопровождается ухудшением фокусирующей способности ФИП. Рисунок 7 отражает изменения толщины аморфизованного слоя при изменении ускоряющего напряжения от 30 кВ до 2 кВ.

Рисунок 7 – Высокоразрешающие электронные микрофотографии аморфизованного и кристаллического слоев кремния, возникших при травлении посредством пучков, нормальных плоскости рисунка

Различные авторы дают разные значения толщины аморфизованного слоя. При этом указывается материал, для которого были получены указанные значения. Например, толщина аморфизованного слоя для Si и ионов Ga⁺ с энергией в 30 кэВ равна 25-30 нм, 5-7 нм – при 5 кэВ и 2-3 нм при 1 кэВ.

Контрольные вопросы

1. Для чего служит апертурная диафрагма в системах с фокусированным ионным пучком?

2. Как регулируется степень увеличения изображения?

3. Какие особенности исследуемого образца отражает изображение во вторичных электронах?

4. Какой из материалов Si, SiO₂, Al в ФИП выглядит ярче остальных, а какой темнее?

5. Какие эффекты наблюдаются при взаимодействии ионов галлия с атомами образца?

6. Назовите угол падения галлиевого ионного пучка на поверхность образца, при котором травление происходит быстрее всего?

7. При каком падении ионного пучка на поверхность, перпендикулярном или скользящем, толщина поврежденного слоя больше?

Рекомендуемая литература

Lucille A. Giannuzzi L.A., Stevie F.A. Introduction to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques, and practice. N.Y.: Springer, 2004.