一种提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法。

背景技术

聚焦离子束(FIB)刻蚀是一种重要的纳米加工技术，广泛应用于半导体、光学、材料科学等领域。它通过聚焦离子束对样品表面进行加工，实现纳米尺度的刻蚀和形貌调控。FIB刻蚀技术具有高分辨率、高精度和高可控性的特点，能够实现精确的器件分析、样品修复、器件改造和原位观察等功能。

FIB刻蚀技术的关键部件是离子束柱。离子束柱由离子源、聚焦系统和扫描系统组成。离子源产生离子束，聚焦系统对离子束进行聚焦和聚束，扫描系统控制离子束在样品表面的移动。通过调节离子束的能量、流密度、扫描模式和刻蚀参数，可以实现对样品的形貌刻蚀、材料去除和图案定义。

FIB刻蚀技术可以利用离子与样品表面原子的相互作用来实现刻蚀。离子束的撞击能量可以将样品表面的原子从固体中移除，从而实现刻蚀。与传统的光刻技术相比，FIB刻蚀具有更高的分辨率和更灵活的加工能力。

FIB刻蚀技术在器件分析和纳米加工中具有广泛的应用。它可以用于制作纳米尺度的图案、槽道和通道，进行样品的形貌调控和结构修复。同时，FIB还可以与其它表征技术结合，如扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)，实现原位观察、元素分析和器件特性的测量。

然而，FIB刻蚀技术也存在一些挑战和限制。尤其在处理大面积样品的效率、均匀性，以及引起样品损伤和刻蚀侧壁结构的垂直度及平整度上，均存在一些不足，例如表面粗糙度增加、侧壁削角、斜边、侧壁波纹结构(如图1所示)等，在刻蚀形貌质量控制还有进一步提高的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法，该方法能够提高刻蚀表面质量的控制，具有良好的面积扩展性，并且具有良好的侧向精度，使得刻蚀样品的侧壁结构更为平整。

为此，本发明实施例提供了一种提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法，其特征在于，所述方法包括：

在待刻蚀样本上制作掩膜层；

将待刻蚀样本固定在FIB刻蚀基座上；

在FIB刻蚀过程中，对所述FIB刻蚀基座进行加热，并在水平面或非水平面内进行旋转，使得待刻蚀样本发生多角度旋转，并在每个旋转角度上保持相同或不同的FIB刻蚀时间；

在FIB刻蚀过程中或FIB刻蚀之后，对所述待刻蚀样本进行辅助刻蚀；

去除所述掩膜层。

优选的，所述在待刻蚀样本上制作掩膜层的方法包括：

对待刻蚀样本进行表面处理；

对表面处理后的待刻蚀样本进行掩膜材料制备；所述掩膜材料为氧化物和/或氮化物，制备方法包括物理气相沉积(PVD)和/或化学气相沉积(CVD)；

使用光刻技术在所述掩膜材料上进行掩膜图案制备。

优选的，所述FIB刻蚀基座的加热温度为20℃-250℃。

进一步优选的，所述FIB刻蚀基座的加热温度为50℃-100℃。

优选的，所述在水平面或非水平面内进行多角度旋转具体为：连续在水平面或非水平面内进行旋转，或者，间歇地在水平面或非水平面内进行旋转，并在每个旋转位置停留相同或不同的时间。

优选的，所述FIB刻蚀基座在水平面或非水平面内进行旋转，使得待刻蚀样本发生旋转，旋转中，所述待刻蚀样本的上表面与水平面之间的夹角保持在±15°以内；离子束与所述待刻蚀样本的上表面之间的夹角在75°-105°之间。

优选的，所述辅助刻蚀包括：电子束辅助刻蚀EBIE、低能量离子束辅助刻蚀LEIBAE、气体辅助刻蚀GAE或暗电子注入DFEI。

本发明实施例提供的提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法，通过掩膜层能有效减小刻蚀表面的损伤；通过对FIB刻蚀基座进行加热，可以减少表面损伤、提高刻蚀速率和改善刻蚀表面形貌；此外通过加热还可以改变离子束与样品之间的相互作用，优化刻蚀效果；通过多角度旋转的刻蚀能够改善侧向刻蚀的精度，使得刻蚀样品的侧壁结构更为平整，减小侧壁波纹结构的产生。

附图说明

图1为现有技术中FIB刻蚀出现的侧壁波纹结构的电镜图；

图2为本发明实施例提供的提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法流程图；

图3为本发明实施例FIB刻蚀后的电镜图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法，其主要步骤如图2所示，包括：

步骤110，在待刻蚀样本上制作掩膜层。

首先，对待刻蚀样本进行表面处理；通过表面处理确保样品表面干净、平整，去除表面的污染物和沾污颗粒等。表面处理方法可采用常规的晶片清洗方法，包括：超声波清洗、溶剂清洗等。清洗后进行干燥。

然后，在表面处理后的待刻蚀样本进行掩膜材料制备；掩膜材料可根据待刻蚀样本进行选择，要有良好的耐刻蚀性能。优选的，采用氧化物和/或氮化物作为掩膜，制备方法包括物理气相沉积(PVD)和/或化学气相沉积(CVD)；

最后，使用光刻技术在所述掩膜材料上进行掩膜图案制备。

由于FIB刻蚀是利用离子源发出的离子束加速聚焦为入射束，因此通过掩膜层能有效减小刻蚀表面的损伤。在实际操作中，可以根据待刻蚀样本的被刻蚀材料来选择掩膜材料。

步骤120，将待刻蚀样本固定在FIB刻蚀基座上。

基座可以是水平设置，也可以是与水平方向呈一定角度设置，从而使得待刻蚀样本呈水平或与水平方向呈一定角度。

步骤130，在FIB刻蚀过程中，对FIB刻蚀基座进行加热，并在水平面或非水平面内进行旋转，使得待刻蚀样本发生多角度旋转，并在每个旋转角度上保持相同或不同的FIB刻蚀时间。

其中，FIB刻蚀基座的加热温度为20℃-250℃，更优选为50℃-100℃。在实际操作中，待刻蚀样本的特性和刻蚀要求决定着加热温度的选择。例如，如果需要进行高精度的刻蚀，则需要使用相对较低的加热温度来减少样品热膨胀引起的位置漂移。

通过对FIB刻蚀基座进行加热，可以实现减少表面损伤、提高刻蚀速率和改善刻蚀表面形貌的效果；此外对于一些特定材料，通过加热还可以改变离子束与样品之间的相互作用，优化刻蚀效果。

上述所说的在水平面或非水平面内进行旋转具体为：连续在水平面或非水平面内进行旋转，或者，间歇地在水平面或非水平面内进行旋转，并在每个旋转位置停留相同或不同的时间。

由于FIB刻蚀是利用离子源发出的离子束加速聚焦为入射束，高能离子在与固体表面原子发生碰撞时，溅射剥离固体原子实现刻蚀。因此通过多角度的旋转，能够使得入射束更为均匀的分布与整个待刻蚀样本的表面，从而避免因为聚焦的束斑内离子呈现高斯分布向中心集中造成刻蚀不均匀而导致的样本表面刻蚀不均以及侧壁波纹结构的问题。

以上在水平面或非水平面内进行旋转的目的是使待刻蚀样本发生多角度旋转。如果FIB刻蚀基座的承载待刻蚀样本的表面与水平面呈一定角度设置，则FIB刻蚀基座可在水平面内旋转；如果FIB刻蚀基座的承载待刻蚀样本的表面沿水平面设置，则需要该基座在非水平面内旋转。因为，随着刻蚀的深度增加，被刻截面的锥度会逐渐增加，即产生倾斜侧壁。通过多角度旋转待刻蚀样本，能够实现在待刻蚀样本上离子束入射角度的倾斜，能够截面锥度变化与入射角度的偏差，从而能够获得垂直侧壁，同时能进一步消除侧壁波纹结构。

在一个本发明具体实施中，设定FIB刻蚀基座不在水平面内进行旋转，FIB刻蚀基座上表面为水平结构，初始位置为水平，旋转时的倾斜角度与水平面之间的夹角在±15°以内，待刻蚀样本倾斜的固定FIB刻蚀基座上表面上。在旋转中，待刻蚀样本的上表面与水平面之间的夹角保持在±15°以内；离子束与待刻蚀样本的上表面之间的夹角在75°-105°之间。

在另一个本发明具体实施中，设定FIB刻蚀基座在水平面内进行旋转，FIB刻蚀基座上表面为倾斜结构，倾斜角度与水平面之间的夹角在15°以内，待刻蚀样本倾斜的固定FIB刻蚀基座上表面上。在旋转中，待刻蚀样本的上表面与水平面之间的夹角保持在15°以内；离子束与待刻蚀样本的上表面之间的夹角在75°-105°之间。

进一步的，通过工艺调整在旋转为持续匀速，或至不同位置可停留不同时间，能够更为灵活的匹配样本刻蚀的实际需求。

步骤140，在FIB刻蚀过程中或FIB刻蚀之后，对待刻蚀样本进行辅助刻蚀。

辅助刻蚀的方法根据需要可以包括：

电子束辅助刻蚀(Electron Beam Assisted Etching，EBIE)：在FIB刻蚀时，同时使用电子束进行辅助刻蚀。电子束可以提供额外的能量和动量，以促进离子束与样品的相互作用，加快刻蚀速率，并改善刻蚀的表面质量和边缘质量。

低能量离子束辅助刻蚀(Low Energy Ion Beam Assisted Etching，LEIBAE)：在FIB刻蚀过程中，引入低能量的离子束进行辅助刻蚀。低能量离子束可以通过表面活化、增强物质扩散和局部加热等效应，改善刻蚀速率和刻蚀质量，减少表面损伤。

气体辅助刻蚀(Gas Assisted Etching，GAE)：在FIB刻蚀中，引入适当的气体作为辅助剂，与离子束相互作用，改变表面反应动力学。这可以调整刻蚀速率、控制刻蚀形貌，并减少或防止由于离子束刻蚀而产生的侧壁或底部沉积。

暗电子注入(Dark Field Electron Injection，DFEI)：在FIB刻蚀过程中，通过向样品表面注入暗电子束来调整表面电位和电荷状态。这可以改变离子束与样品的相互作用，调节刻蚀速率和质量，优化刻蚀结果。

这些辅助刻蚀方法的具体应用会根据实际需要和所要加工的材料而有所不同。它们可以改善刻蚀过程的控制性能、加工质量和加工效率，并扩展了FIB技术的应用范围。在实际应用中可以根据需要由工程师决定具体采用哪种辅助刻蚀方式，以及设定相应的工艺参数。

步骤150，去除掩膜层。

根据掩膜层的制备选择，相应的选择去除掩膜层的方式即可。本领域技术人员均知晓如何制备及去除掩膜层，在此不再展开说明。

图3为本发明实施例FIB刻蚀后的电镜图。可以看到刻蚀表面形貌得到了改善。

本发明实施例提供的提高聚焦离子束FIB刻蚀形貌质量的方法，通过掩膜层能有效减小刻蚀表面的损伤；通过对FIB刻蚀基座进行加热，可以减少表面损伤、提高刻蚀速率和改善刻蚀表面形貌；此外通过加热还可以改变离子束与样品之间的相互作用，优化刻蚀效果；通过多角度旋转的刻蚀能够改善侧向刻蚀的精度，使得刻蚀样品的侧壁结构更为平整，减小侧壁波纹结构的产生。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。