一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高能束纳米原位加工及其实时监控领域，具体涉及一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法；
【背景技术】
[0002] 离子束技术是与半导体工艺最兼容的技术，因此在半导体集成电路制造业中，离 子束技术已深入到薄膜制作、材料刻蚀、杂质注入、三维结构制作和表面改性诸多方面。其 中，聚焦离子束(focused ion beam，简称FIB)由于具有高能粒子高分辨率的特性和元素特 性，广泛应用在微纳尺度的离子束刻蚀、离子束沉积、离子注入和离子束材料改性方面。聚 焦离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB 系统的离子束是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的 抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓(Gal I ium，Ga)。
[0003] 扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM)，利用电子束扫描形 成二次电子像，是上个世纪四十年代发展起来的一种大型精密电子光学仪器，用来直接观 察大块样品的表面形貌，分辨本领高、景深长、图像立体感强。
[0004] 现有的FIB微纳加工装置包括FIB单束系统、FIB-SEM双束切换系统和FIB-SEM双束 同步系统三种。
[0005] 其中，FIB单束系统的缺点包括：由于离子电荷的积累，样品的材料会受到很大的 限制;和电子相比，离子的质量大得多，相同能量和束流下扫描离子成像对样品的损伤非常 大，严重影响了离子束加工的质量;另外，扫描离子成像时，产生的二次电子数较少，一般的 光电倍增管检测器很难获得足够的二次电子成像，必须采用较为昂贵的微通道板检测器接 收才能清晰成像。上述问题的存在，大大限制了 FIB单束系统的应用领域。
[0006] 随后发展起来的FIB-SEM双束切换系统，FIB加工后切换成电子束获得高分辨率 SEM，有效地解决了 FIB单束系统在观测方面的难题，而且通过电子的中和部分解决了非金 属样品电荷积累的问题，广泛应用于半导体微电子行业、三维微纳米加工、材料分析、微机 电系统器件制作以及透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM)样 品制作等。然而，由于电子束和离子束是切换工作的，FIB-SEM双束切换系统不仅无法实现 高分辨率SEM成像对FIB加工过程的实时监控和样品电荷积累的实时消除，而且不能实现 SEM对FIB加工性能的优化调控。比如FEI公司的Quanta?3D DualBeam?和日本JEOL公司的 JIB-4500Multi FIB-SEM系统，离子束加工和电子束成像均为交替分开的，无法实时监控加 工过程和电荷积累的瞬时消除，很难保证FIB整个加工过程的质量。
[0007] 充分发挥了离子束和电子束优点的FIB-SEM双束同步系统，不仅能够实现SEM实时 监控下的FIB微细加工，而且通过电子的中和提高FIB单束加工精度的同时从本质上解决了 样品上电荷积累问题，保证FIB加工过程质量的同时有效提高了 FIB加工的成品率，是微纳 加工技术发展的重要手段。实时监控FIB加工过程的FIB-SEM双束同步系统，能够提高FIB微 纳加工的性能，进而推动纳米科技产业化的进程。然而，FIB-SEM双束同步加工涉及复杂的 物理化学过程，包括中和的原子与样品的碰撞过程、未中和的聚焦离子与样品的相互作用 过程、电子与样品的相互作用以及相应的能量的交换和损失。加工的性能受很多因素的影 响，其中，入射粒子的电荷种类、能量和束斑特性直接决定了FIB-SEM同步加工中加工机理 和能量的输入，从而影响到其加工性能和加工质量。FIB-SEM双束同步系统中，参与加工过 程的粒子包括离子、电子和原子，和前面的FIB单束系统以及FIB-SEM双束切换系统相比，同 步加工粒子和样品的相互作用更为复杂，现有的研究很难获得其加工精度和质量的优化控 制。
[0008] 现有技术中，一部分研究者仅仅关注于样品处入射束中聚焦离子束的参数(速度、 质量和FIB束流密度分布等），忽略了电子束的存在，未能包含FIB-SEM同步加工实际作用的 原子和电子，同步粒子束和样品的相互作用局限于离子束的碰撞机理，导致其加工性能严 重偏离实际系统。比如，商用设备常用的SRIM(stopping and range ofions in matter)软 件，当模拟离子在材料中的分布和作用的动力学现象以及相应的离子能量损失、材料缺陷 损伤、声子的产率、离子注入和离子溅射率时，加工过程的变量局限于FIB参数，且将FIB束 流密度分布假想成未考虑几何像差以及空间电荷效应的理想情况（比如高斯分布），指导 FIB单束系统和FIB-SEM双束切换系统时尚有一定偏差，很难控制FIB-SEM双束同步系统的 的加工过程。
[0009] 另一部分研究者考虑电子的中和作用建立了入射原子模型，分析了样品表面附近 原子的速度以及束流密度分布对样品加工性能的影响，获得了双束同步工作下提高FIB加 工精度的优化参数。然而上述研究将同步加工粒子简化为原子，忽略了FIB-SEM系统未中和 的离子和电子，加工性能只涉及原子和样品的作用，且入射原子的速度和束流密度分布等 初始条件都过于理想化，很难控制双束同步加工过程，提高FIB-SEM双束同步加工的质量。 [0010]综上所述，现有FIB-SEM双束同步系统加工方法中，样品入射粒子的种类局限于离 子或者原子，同步束和样品相互作用的机理未能体现离子、电子和原子的整体效应，样品表 面处粒子的速度和束流密度分布等初始条件过于理想化，很难控制FIB-SEM双束同步加工 的精度和质量。
【发明内容】
[0011] 现有FIB-SEM双束同步加工中，入射粒子种类不全，入射粒子和样品相互作用的工 作机理缺乏离子、电子和原子的整体效应，且入射粒子束流密度分布未能综合考虑实际系 统的几何像差以及空间电荷效应，很难控制FIB-SEM同步加工过程保证加工的质量。基于上 述问题，本发明提出了 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，控制双束同 步加工过程提高加工的质量。
[0012] -种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法中，综合考虑实际加工系 统的几何像差以及空间电荷效应分别获得FIB和SEM三维束流密度分布后，依据双束系统和 样品的空间布局将双束融合成同步粒子束，实现电子束对离子束加工的实时观测和控制， 获得高精度的聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工。
[0013] 具体操作步骤如下：
[0014] 步骤一、设置FIB束流密度体分布所需的FIB离子光学系统初始参数；
[0015] FIB离子光学系统初始参数包括离子源参数、透镜系统参数、偏转器参数和样品的 位置参数。
[0016] 离子源参数包括离子源的位置参数和性能参数，根据FIB-SEM双束同步系统测试 获得；
[0017] 透镜系统参数包括聚光镜和物镜参数，聚光镜参数包括聚光镜的位置参数和结构 参数，物镜参数包括物镜的位置参数和结构参数;偏转器参数包括偏转器的结构参数和位 置参数;透镜系统参数和偏转器参数通过FIB-SEM双束同步系统实测和聚焦离子束光学系 统设计调研而得；
[0018] 样品的位置参数依据FIB-SEM双束同步系统实测获得。
[0019]步骤二、计算并得到FIB束系统中透镜和偏转器的二维场和三维空间场；
[0020]透镜的二维场和三维空间场计算方法为:将步骤一中的透镜系统参数中的透镜结 构尺寸参数输入国际Mebs软件的有限元法程序计算出标准透镜电位的离散网格二维场;将 离散网格场通过Hemite多项式插值获得透镜的三维空间场；
[0021]偏转器的二维场和三维空间场计算方法为:将步骤一中偏转器的结构参数和基准 电极电位参数输入Mebs软件的一维边界元法和三维有限差分程序分别获得二维场和三维 空间场。
[0022] 步骤三、实现包含空间电荷效应的FIB三维束流密度体分布；
[0023]将样品位置设为离子FIB系统的高斯像平面;根据聚焦离子源的初始参数，透镜和 偏转器的位置和二维空间场以及样品的位置参数，并以FIB-SEM双束同步系统FIB单束加工 性能优化获得透镜电位和偏转器偏转电压后，采用五阶龙格库塔法求解离子束运动的牛 顿一洛仑兹方程组，获得包含几何像差和空间电荷效应的FIB三维运动轨迹，得到FIB束流 密度的三维空间分布