張冬艷，陳特超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

離子束刻蝕是一種典型的對樣品表面以原子、分子為單位進行剝離的微細加工工藝和超精密加工方法，在微電子工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，在微機械的制造中已成為不可缺少的工藝手段[1]。

離子束刻蝕設(shè)備國外在20世紀70年代初期就已有設(shè)備的雛形，發(fā)展至今已是成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，國內(nèi)在20世紀80年代初開始自行研制并生產(chǎn)單束、單片加工的離子束刻蝕機[2]。為適應(yīng)半導體工藝的發(fā)展，提高刻蝕設(shè)備的功能，滿足國內(nèi)外用戶的需求，本文就中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的離子束刻蝕機中的二維運動工件臺、自動擋板機構(gòu)和獨立的測束裝置及平行束離子源作介紹。

1 設(shè)備工作原理

離子束加工是在真空條件下，將氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束，經(jīng)加速、集束、聚焦后，轟擊被加工件的表面，即當離子束轟擊加工表面的能量超過加工表面材料的原子結(jié)合能時，加工表面材料的原子(或分子)被濺射出來，以達到去除表面材料的目的。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1是離子束刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。它由離子源、反應(yīng)室、工件臺、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、電氣控制等主要部分組成。

圖1 離子束刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

離子源采用中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的平行束離子源系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，降低了以往由于離子源電源的不穩(wěn)定而引發(fā)的設(shè)備故障率。離子流密度較高，且整體可拆卸，便于維修。反應(yīng)室為臥式結(jié)構(gòu)，離子源水平噴射離子束流方式，刻蝕濺射物可大部分落于真空室底部，有效減少濺射材料的再沉積。反應(yīng)室左側(cè)為可打開的鉸鏈門結(jié)構(gòu)，同時其上可裝載基片，整個反應(yīng)室腔體為雙層水冷結(jié)構(gòu)，全不銹鋼材料制造。本設(shè)備在工件臺的設(shè)計上，將以往的一維旋轉(zhuǎn)運動優(yōu)化為二維運動，即可進行旋轉(zhuǎn)和傾斜，依據(jù)離子束刻蝕原理，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計對刻蝕均勻性的提高起到一定作用，同時也為實驗型的工藝研究提供了便利。圖2為工件臺的二維運動示意圖。

圖2 工件臺二維運動示意圖

氣缸驅(qū)動的自動擋板機構(gòu)。一般從放電開始到束流穩(wěn)定往往需要幾分鐘的時間，在束流穩(wěn)定后按下?lián)醢彘_關(guān)進行刻蝕并同步計時，刻蝕時間可通過和擋板連接的時間繼電器設(shè)定、顯示并控制。擋板也可隨時對正在進行工作的離子源的束流進行有效阻擋。該機構(gòu)具有自動控制、可顯示、可設(shè)定等多種功能，為工藝試驗前檢測束流密度和束的中和情況等工作提供了便利條件。

測束器是通過陶瓷引線引入反應(yīng)室內(nèi)部，對基片附近的束流進行測量，通過控制面板上的束流表顯示測量結(jié)果。此機構(gòu)對于掌控基片附近的束流提供了可靠的第一手數(shù)據(jù)。

真空系統(tǒng)是本設(shè)備的關(guān)鍵之一，它是由分子泵、機械泵、電磁擋板閥、真空管道等組成。為保證工藝的連續(xù)性和工藝的多樣性，本設(shè)備采用恒定送氣和恒定抽氣的方式。送氣采用質(zhì)量流量計控制，保證氣流的穩(wěn)定和均勻。

2.2 刻蝕材料的無選擇性

加工材料廣泛，對脆性、半導體、高分子等材料都可加工。且加工在真空下進行，故也適用于加工易氧化的金屬、合金等材料[3]。由于樣品在真空中可以被準直的離子束定向轟擊，是一種方向性刻蝕，可以克服化學濕法中不可避免的鉆蝕現(xiàn)象，故刻蝕圖形邊緣陡直、清晰、分辨率高。

2.3 高加工精度及表面質(zhì)量

離子束轟擊材料是逐層去除原子或分子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，其加工精度可達微米級。且由于離子束流密度、能量、入射角、工件臺的二維運動等工作參數(shù)能夠在相當寬的范圍內(nèi)獨立、準確的控制，可容易得到不同樣品的最佳加工條件，既可控制線條的邊壁斜度，又能控制溝槽深度按一定函數(shù)變化。由于加工時被加工表面層溫度低，不會引起機械應(yīng)力和損傷，故加工質(zhì)量高。

2.4 刻蝕速率

刻蝕速率是體現(xiàn)設(shè)備加工效率的主要標志，它是以單位時間內(nèi)刻蝕的深度表示的，與濺射率、到達表面的離子通量密度及材料的原子密度有關(guān)?？涛g速率與濺射率成正比，濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度、靶材的種類、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、溫度以及殘余氣體組分有關(guān)。本裝置的離子束入射離子能量范圍較寬，在0～1 500 eV可調(diào)，為刻蝕速率的選擇提供了較寬的范圍，雖然入射離子能量的增大可增大刻蝕速度，但由于造成的表面損傷也較大，故在試驗過程中需綜合多方面因素選擇合適的數(shù)值。

3 工藝試驗

對設(shè)備的各項技術(shù)指標進行逐一測試后，做離子束刻蝕工藝試驗?？涛g材料100mm鋁鎳合金，送入工藝氣體Ar氣到反應(yīng)室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)Ar氣體質(zhì)量流量控制器使反應(yīng)室工作壓力穩(wěn)定在4.0×10-2 Pa左右，啟動離子源電源，設(shè)定各模塊電壓或電流值，放電電壓55 V，離子束電壓500 V，離子束電流54mA，加速柵電壓120 V，待離子源穩(wěn)定工作，打開自動擋板，刻蝕時間10m in，使用顯微鏡和臺階儀對刻蝕樣片進行測試，測量點位置如圖3，各點的刻蝕深度如表1所示。

圖3 樣片測試點示意圖

表1 測試點刻蝕深度表

用游標卡尺測量φ80 mm直徑，在此直徑上均勻取4點，用α臺階儀分別測量該4點及圓片中心點處的刻蝕深度。用下列公式計算刻蝕均勻性：

Ti：測量值

Tu：算術(shù)平均值

n：樣本數(shù)

采用上述均方根法計算，最后得出δ＝3.8%，所以本離子束刻蝕裝置均勻性≤±4。

4 結(jié)論

加工質(zhì)量和加工效率一直是離子束刻蝕工藝的主要問題?？涛g設(shè)備的研制水平是決定工藝質(zhì)量的重要條件之一。上述試驗結(jié)果表明本裝置在性能指標上優(yōu)于以往的國產(chǎn)同類設(shè)備，且使用范圍廣泛，通用性強，可應(yīng)用于中小生產(chǎn)線或科研院所的實驗室。

[1]趙麗華，周名輝.離子束刻蝕[J].半導體技術(shù)，1999，24(1):39-42.

[2]任延同.離子束現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].光學精密儀器,1998,6(2):7-14.

[3]Seliger R L,Fleming W P.Focused ion beams inmicrofabrication[J].Applied Physics,1987,45(3):1416-1422.