王 偉， 龐陳雷， 楊 青，， 佘 玄， 吳 蘭， 李 強

（1.浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，杭州 310027；2.之江實驗室超級感知研究中心，杭州 311121）

0 引 言

聚焦離子束（FIB）加工技術(shù)是一種多用于半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域及微納研究領(lǐng)域的儀器［1-4］。其原理是離子發(fā)射源發(fā)射出離子，經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)（由靜電透鏡、靜電偏轉(zhuǎn)器、孔徑光闌等組成）聚焦為精細離子束入射固體靶材（樣品）表面，固體靶材表面原子由于傳遞效應(yīng)獲得離子束的入射能量，能量積累導(dǎo)致表面原子逃逸出固體表面，達到濺射剝離的目的。在濺射剝離刻蝕過程中，除入射離子外，還存在被濺射逸出固體表面的二次離子及二次電子等帶電粒子。因此樣品表面存在大量帶電粒子，其中少量帶電粒子可以跟隨樣品艙室內(nèi)少量氣體被多級真空泵抽離樣品艙室，部分帶電粒子則基于樣品本身的導(dǎo)電特性而疏導(dǎo)離開刻蝕區(qū)域［2，5］。如果樣品導(dǎo)電性不好，刻蝕時產(chǎn)生的大量帶電粒子會停留在刻蝕區(qū)域造成局域電荷積累，積累至放電閾值時將發(fā)生放電現(xiàn)象。這種電荷的積累以及放電效應(yīng)會形成電磁場，對入射離子束的正常運作造成干擾，導(dǎo)致實際刻蝕微納圖形產(chǎn)生畸變。因此FIB 刻蝕工藝要求樣品具備導(dǎo)電特性，如金、銀、硅等常見導(dǎo)電性良好的材料［6-8］。通常認為FIB 無法直接在固態(tài)絕緣體材料表面進行微納加工。

固態(tài)絕緣材料廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、激光、紅外、聲學(xué)以及其他新技術(shù)領(lǐng)域，因此在固態(tài)絕緣材料表面進行微納結(jié)構(gòu)制備表征是當代應(yīng)用需求的必要制備工藝。實際應(yīng)用中，當FIB 加工絕緣材料的需求出現(xiàn)時，常用的解決方案是通過離子濺射儀等儀器在樣品表面制備碳、金、鉑等導(dǎo)電金屬薄膜，從而解決非導(dǎo)電樣品在電鏡表征過程中由于表面電荷積累造成放電的問題。但是材料本身的物理特性決定了基于微納米結(jié)構(gòu)器件的性能，如果在材料表面添加金、碳等附加導(dǎo)電薄膜將對器件的性能產(chǎn)生影響，對于局域要求禁止導(dǎo)電的樣品并不合適。另一種解決方案是濺射時使用電子束對離子束電荷進行中和［9-10］，從而獲得與設(shè)計方案一致的圖案。然而這類方法要求機器配置復(fù)雜昂貴的電子發(fā)生器，對科研工作者的研究條件有了更加苛刻的要求。

本文設(shè)計了一種帶有微米尺度通孔的單晶硅片（簡稱微窗硅基蓋板），嘗試將微窗硅基蓋板覆蓋于非導(dǎo)電襯底表面，離子束穿過通孔聚焦于絕緣襯底表面，轟擊絕緣襯底，濺射出的帶電粒子通過蓋板傳導(dǎo)擴散，弱化局域電荷積累的影響，從而達到改善聚焦離子束在絕緣襯底表面進行微納結(jié)構(gòu)加工效果的目的。

1 微窗硅基蓋板的制備

實驗設(shè)計之初考慮到通孔底孔越小，通孔邊緣與濺射區(qū)域距離越短，越有利于帶電粒子的傳導(dǎo)擴散。然而蓋板需要一定厚度才可平整（不平整的蓋板與樣品表面存在空隙，不利于電荷的導(dǎo)流，本實驗中使用的硅片最薄為200 um），當通孔孔徑過小時，電子束與離子束轟擊底孔環(huán)繞的待濺射區(qū)域時產(chǎn)生的二次電子易被通孔側(cè)壁阻擋，使得信號接收器無法捕獲二次電子或二次離子，導(dǎo)致成像亮度對比度過暗，且濺射刻蝕的材料無法被多級真空系統(tǒng)抽取離開材料表面，導(dǎo)致再沉積加重。因此考慮采用整體呈廣口喇叭形結(jié)構(gòu)的通孔，既有利于電子束或離子束轟擊底孔區(qū)域絕緣材料時產(chǎn)生的二次電子被信號接收器捕獲成像，又利于材料的濺射剝離。

研究中采用單晶硅濕法各向異性腐蝕工藝制備頂孔與底孔孔徑相差數(shù)百μm 的倒金字塔形通孔，作為試驗中起到傳導(dǎo)擴散電荷作用的微窗硅基蓋板。由于底孔孔徑過大不利于電荷的消散；過小則會限制微納加工的區(qū)域，為此本工作中采用底孔孔徑介于10 ～50 μm的倒金字塔通孔，符合常規(guī)FIB 二維陣列圖形加工區(qū)域需求。

所述單晶硅濕法各向異性腐蝕工藝包括［11-12］：首先將雙面拋光厚度為200 μm的n 型硅片（100 晶面）雙面氧化（SiO2薄膜，膜厚60 nm）后再高溫淀積氮化硅薄膜（膜厚20 nm）形成腐蝕掩膜。然后任選一面使用光刻和等離子濺射方法刻出待腐蝕區(qū)的矩形窗口（由于倒金字塔側(cè)壁傾斜角度固定，因此矩形窗口尺寸和單晶硅厚度決定底口尺寸，此工藝可制備任意開口尺寸的倒金字塔型凹坑）。隨后將硅片浸于30%濃度的KOH腐蝕液中，并放置于80 ℃的熱臺上恒溫加熱5.5 h。如圖1 所示為腐蝕完成后倒金字塔通孔的SEM俯視圖，整體為底口邊長為13μm 的正方形倒金字塔形凹坑。為防止氮化硅與氧化硅膜對硅片導(dǎo)電特性有影響，實驗中可使用氫氟酸去除氮化硅與氧化硅膜層。

圖1 制備倒金字塔型通孔流程圖（a）及成品的SEM俯視圖（b）

試驗中，所采用絕緣材料為石英（SiO2）基底。濺射前，使用導(dǎo)電膠帶將覆蓋有微窗硅基蓋板的石英基底固定于樣品臺表面，并利用導(dǎo)電膠帶連通微窗硅基蓋板與樣品臺進行接地處理，樣品放置方式的俯視圖及截面圖如圖2 所示。

圖2 微窗硅基蓋板、石英基底和樣品臺層疊固定結(jié)構(gòu)示意圖

具備高分辨率掃描電子顯微鏡成像（SEM）和聚焦離子束微納加工（FIB）功能的雙束系統(tǒng)（Zeiss_Auriga_40）作為本次試驗中用于離子束對絕緣襯底的濺射刻蝕的設(shè)備。該設(shè)備配備液相金屬鎵離子源（Ga＋），試驗中選取合適的束流對典型性結(jié)構(gòu)進行加工。濺射完成后將硅片拆除，使用離子濺射儀對絕緣樣品表面進行噴金處理（60 s，厚度約50 nm），最后使用SEM 采用二次電子成像模式（SE2 成像模式）對濺射結(jié)果進行成像分析。

2 試驗結(jié)果與分析

FIB在半導(dǎo)體、導(dǎo)體表面微納加工的典型結(jié)構(gòu)為線槽，所以本試驗中選取線槽結(jié)構(gòu)為試驗結(jié)構(gòu)，線槽寬度選取較小的納米尺度。對于納米尺度的線槽，試驗中采用30 kV 加速電壓下1 pA 和10 pA 兩檔有代表性的束流進行濺射刻蝕。為避免濺射時再沉積導(dǎo)致線槽底部出現(xiàn)斜坡，束流停留時間設(shè)置為最小值1 μs，束流步進路徑采用系統(tǒng)默認的標準刻蝕模式。為驗證試驗的可重復(fù)性，各個線槽刻蝕2 或3 個周期，每周期結(jié)構(gòu)按照從左至右的順序依次完成，刻蝕方向自下而上。

首先在硅基蓋板表面試刻。10 pA 束流進行打點調(diào)試后聚焦于硅基蓋板表面，在空白區(qū)域使用上述參數(shù)試刻線槽結(jié)構(gòu)，線槽寬度設(shè)置為0.2 μm，高度3 μm，深度0.2 μm，刻蝕結(jié)果如圖3（a）所示。圖中3 個線槽結(jié)構(gòu)形貌完全相同，且每個單元結(jié)構(gòu)頂端在同一水平線。因此聚焦離子束在單晶硅材料表面的刻蝕效果及可重復(fù)性極好。然后將離子束移至石英片表面無硅基蓋板覆蓋的空白區(qū)域進行聚焦，并在不同區(qū)域進行了4 組重復(fù)試驗，試驗結(jié)果顯示每組刻蝕結(jié)果與硅片表面的刻蝕結(jié)果偏差嚴重，且4 組刻蝕的形貌之間存在不同程度的偏差。如圖3（b）中第1 組試驗的4個線槽已經(jīng)嚴重變形為平行四邊形，其余2 組（見圖3（c）、（d））線槽存在同樣畸變。且每組試驗中第1 周期的凹槽傾斜畸變最為嚴重，其后每個周期的畸變開始出現(xiàn)不同程度的減緩。這是由于鎵離子束初入射時，第1 周期圖形電荷積累－放電現(xiàn)象最為嚴重，干擾入射離子束流，使得離子束刻蝕軌跡偏離既定軌跡。隨著時間的推移，鎵離子注入石英片表層，開始有利于電荷的傳導(dǎo)，電荷的積累－放電頻率逐漸降低，離子束刻蝕軌跡趨于平穩(wěn)，因此刻蝕效果相較第1 周期圖形有所改善。然而這種隨機性強、偏差高的刻蝕結(jié)果無法滿足常規(guī)的科研實驗需求。

圖3 硅片表面及無通孔覆蓋的SiO2 表面刻蝕線槽結(jié)構(gòu)的效果對比

最后嘗試將1 pA 離子束束流聚焦于倒金字塔通孔（底孔邊長13 μm × 13 μm）環(huán)繞的SiO2表面，依次刻蝕5 組線槽結(jié)構(gòu)進行對比。刻蝕線槽長度一致為3 μm，單元線槽槽寬度分別為0.1、0.05、0.05、0.02、0.01μm，深度分別為0.2、0.2、0.1、0.1、0.1 μm（見圖4 中間圖片中線槽結(jié)構(gòu)，編號分別為1 ～5）。隨著刻蝕寬度的變窄及深度的減小，單元凹槽的刻蝕時間逐漸縮短，第1 組線槽中單根線槽耗時為204 s，最后1組（編號5）每根線槽耗時26 s，噴金后SEM成像結(jié)果如圖4 所示。每組線槽俯視形貌良好，無明顯畸變。然而第1、2 組線槽可見明顯的三角形尾端，隨后3、4、5 三組的線槽頂端較為圓滑，由此可判斷此孔徑下1 pA束流刻蝕中依然出現(xiàn)了輕度漂移，由于在第1、2 組中刻蝕時間較長，電荷積累-放電發(fā)生次數(shù)過多導(dǎo)致刻蝕位置多次漂移使得尾端形變?yōu)槿切?，而?、4、5組刻蝕中電荷積累-放電的次數(shù)不多，因此尾端形變幾乎沒有。然而與圖3（b）～（d）相比，線槽主干部分凹槽形貌較好，未見明顯畸變，且第5 組凹槽槽寬僅為54 nm，足以滿足常規(guī)科研需求。

圖4 使用1 pA束流刻蝕線槽及圖案的效果

考慮到線槽結(jié)構(gòu)較為簡單，為驗證使用1 pA束流進行復(fù)雜圖形刻蝕時的穩(wěn)定性，試驗中加入了復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu)的刻蝕進行對比。如圖5 左側(cè)圖所示為試驗中導(dǎo)入FIB計算機的一個求是鷹圖形結(jié)構(gòu)的BMP位圖，F(xiàn)IB圖形發(fā)生器根據(jù)此圖的灰度進行刻蝕，圖中白色區(qū)域為刻蝕區(qū)域，黑色區(qū)域為保留區(qū)域。求是鷹的圖片尺寸設(shè)置為5 μm × 5 μm（依照圖片像素點計算，白色區(qū)域刻蝕寬度理論值為52 nm），刻蝕深度為0.2 μm?？涛g結(jié)果噴金后SEM掃描圖像如圖5 中間圖及右側(cè)圖所示，求是鷹翅膀部分內(nèi)環(huán)凸起線消失（內(nèi)環(huán)凸線精度過高，此加工方案無法刻蝕），但圖形邊緣平滑規(guī)整，未見明顯漂移導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)分層的痕跡。

圖5 使用1 pA束流刻蝕復(fù)雜圖案的效果

此外，考慮到實驗中存在更大的加工區(qū)域的應(yīng)用要求，為此試驗中分別在孔洞直徑分別為23 與38.5 μm的微窗硅基蓋板覆蓋下的SiO2表面使用1 pA和10 pA束流進行刻蝕效果對比。結(jié)果顯示，線槽整個區(qū)域左右對稱性良好，頂端與尾部凹槽并無三角傾斜畸變，因此未見漂移現(xiàn)象，刻蝕效果與單晶硅表面刻蝕效果一致，如圖6（a）～（c）所示。試驗中進行重復(fù)刻蝕做對比試驗，重復(fù)結(jié)果無差異。然而刻蝕求是鷹的結(jié)果顯示（圖片尺寸為5 μm × 5 μm × 0.1 μm）圖6（d）、（e）刻蝕過程中出現(xiàn)了漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致求是鷹結(jié)構(gòu)有疊影，尤以右側(cè)羽翅部分最為明顯。因此對于較復(fù)雜圖形的加工需求，使用較大的通孔會導(dǎo)致圖形加工效果變差，可考慮使用更小的通孔從而提高加工精度。對于結(jié)構(gòu)簡單的圖形（如凹槽結(jié)構(gòu)），23 與38.5 μm孔徑的通孔則可滿足加工常規(guī)加工需求。

圖6 不同孔洞直徑的微窗硅基蓋板覆蓋下的SiO2 表面刻蝕效果對比

3 結(jié) 論

帶有倒金字塔形通孔的單晶硅片作為微窗硅基蓋板覆蓋于二氧化硅后，當聚焦離子束穿過倒金字塔通孔聚焦于通孔環(huán)繞的二氧化硅表面進行濺射刻蝕時，微窗硅基蓋板的導(dǎo)電特性可提高濺射出的帶電粒子的遷移率，降低電荷積聚-放電的頻率，有效改善聚焦離子束在二氧化硅表面制備微納結(jié)構(gòu)的效果，部分刻蝕結(jié)果與單晶硅表面的刻蝕結(jié)果一致。試驗中微窗硅基蓋板含有的倒金字塔通孔的數(shù)量及孔徑可根據(jù)加工精度及加工區(qū)域等不同需求進行調(diào)整，且在使用過程中對樣品不存在任何影響，可隨意覆蓋樣品表面任何區(qū)域，可重復(fù)使用，為聚焦離子束在刻蝕絕緣材料表面微納加工提供了一種高效、便捷、經(jīng)濟實用的加工方案。

知識就是力量，人才就是未來。我國要在科技創(chuàng)新方面走在世界前列，必須在創(chuàng)新實踐中發(fā)現(xiàn)人才、在創(chuàng)新活動中培育人才、在創(chuàng)新事業(yè)中凝聚人才，必須大力培養(yǎng)造就規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的創(chuàng)新型科技人才。

——2014 年6 月9 日，習(xí)近平在中國科學(xué)院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上的講話