离子束蚀刻导论

本文对离子束技术进行了综述。将介绍离子束技术在蚀刻过程中的关键应用和优点，并与等离子体蚀刻技术进行比较。

本文概述了离子束的产生，并对离子束技术的一些有益应用进行了讨论和介绍。

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从本质上讲，离子束源是等离子体源，具有一组网格，可以提取离子流。离子束源的三个主要部分是放电室、栅极和中和器。

离子生产是在放电室中通过将氩气等气体置于射频场中进行的。一个氧化铝或石英室有一个射频供电的线圈天线围绕它吸入馈入的气体。自由电子被射频场激发，直到它们有足够的能量将气体原子分解成离子和电子，从而进一步电离气体原子，从而确保气体被电离并形成等离子体。

在OIPT离子源中，通过在石英室内放置静电屏蔽来抑制电容耦合，从而仅允许RF磁性组件将能量转移到气体原子；因此，电离主要通过电感耦合过程发生。此外，为了阻止静电屏蔽阻止穿过RF天线线圈产生的电场进入离子源，它也有助于打破石英等离子体管内部沉积的任何连续导电涂层，从而屏蔽和降低射频功率的等离子体产生效率。

栅格的作用是重要的提取和加速离子所需的能量。网格集由如图1a所示的两个或三个网格组成，它们有一个特定的孔模式，由几个小孔形成束，所有这些单个束的组合形成宽离子束。网格曲率和网格间分离也是重要的设计特征，这取决于所需的应用，例如，取决于沉积时溅射的目标尺寸或衬底尺寸和蚀刻应用的蚀刻速率。

离子源在离子温度低于1eV的情况下产生具有慢（冷）离子的低温等离子体，该等离子体可通过具有明确定义能量的栅极从离子源中提取。

在三栅极系统中，栅极之间施加的特定电位或电压为离子提供驱动力和聚焦光学。与等离子体接触的内栅极，称为“屏蔽栅极”，是决定束流电压或能量的栅极。这设置为相对于地的正电位。第二个“加速器”栅极相对于地负偏压，并提供提取电压，这是束离子的屏幕加速电位差。第三个“减速器”栅极通常接地，有助于光束准直，减少光束发散，最大限度地减少电子回流和溅射材料重新沉积到加速器栅极上。这反过来改善了栅格清理的停机时间间隔，并使栅格清理更容易。加速离子的最终能量等于设定的束流能量或电压（V_B)，如图1b所示。

图1所示。三栅梁形成结构

最后，OIPT离子源中的第三个元素是中和剂，它基本上是一个电子源;其目的是平衡光束中离子的电荷，通过离子的相互排斥来减少导致光束发散的空间电荷效应，防止晶片或目标表面充电。基本的双离子束溅射(DIBS)室设置为包括蚀刻源，该蚀刻源精确地将中和离子束导向位于衬底支架中的晶圆上。通常，为了良好的均匀性，15cm的蚀刻源可用于4”以下的晶片，而30cm的蚀刻源适用于8”以下的晶片。

图2。Ionfab系统的原理图

蚀刻基本上有两种类型:第一种离子束刻蚀或IBE，只使用Ar、Xe、Ne或Kr(即惰性气体);这使得物理蚀刻或溅射成为可能，并允许贵金属和金属接触物的蚀刻，如Au, Pt, Pd，它们是非反应材料，因此不响应反应等离子体或化学蚀刻，如图3所示。亚博网站下载

图3。左边0.3µmCr腐蚀，中间3µm Au腐蚀，右边2 um深Pt离子束腐蚀

其他合适的候选材料是CMT等材料，这些材料具有一些在蚀刻后需亚博网站下载要保持不变的特性。IBE优先用于多种材料的蚀刻堆栈，如MRAM设备，其中化学增强蚀刻是可能的，但高度复杂，难以优化。这种物理蚀刻方式通常被称为“离子研磨”。

第二种类型是反应离子束蚀刻或RIBE，其中化学反应气体如SF₆,瑞士法郎_3.查阅₄阿,₂或氯₂（也可以使用其他气体）通常添加到Ar或其他惰性气体中。引入反应气体有两种方式：通过蚀刻源或通过位于晶圆周围衬底支架上的气环。气环模式有时称为化学辅助离子束蚀刻或CAIBE。

使用化学反应气体可以提高掩膜材料的刻蚀速率和选择性。在RIBE模式下，它归结为两个过程的结合，这两个过程涉及离子源内部活性物质的离解和加速离子与活性物质在晶圆表面的碰撞。在CAIBE模式下，只会因为碰撞而发生解离，但它确实有独立控制晶圆表面惰性气体和反应气体分压的好处。

衬底支架的倾斜可以在加载位置-90°之间完成，最高可达+65°。最大角度取决于腔体和端点的选择。在图4中，压板为加载位置，+45°。倾斜可以进一步控制井壁剖面，优化径向均匀性。基片持有人可以旋转高达20 rpm，以提供一个轴对称的蚀刻速率剖面。基片和压板轴由专用冷水机冷却，在蚀刻过程中使用氦作为传导介质传递热量。

图4。基板支架定位示意图

在压板内嵌入一个加热元件，使衬底可以被加热到高达300°C的温度。例如用Cl蚀刻InP₂与用Cl₂和BCl_3.，因为含有In的蚀刻产品挥发性差。室温用Cl蚀刻InP₂结果在一个非常粗糙的表面由于剩余的InCl₂基于材料的表面。将温度提高到150°C以上，通过增加产品的挥发性，有助于提高蚀刻速率，并使获得更光滑的表面。随着温度的升高，蚀刻机制从一个更物理的溅射过程迁移到一个更化学取向的过程(图5)。

图5。用Cl进行左GaAs/AlGaAs蚀刻₂/ BCl_3.， InP蚀刻与Cl₂使用滚筒加热。

仔细平衡反应气体，如CHF_3.，光束能量帮助石英以如图6所示的角度被蚀刻。CF₄反应气体也可用于深度各向异性石英蚀刻。

图6。左侧300 nm闪耀光栅蚀刻在石英中，5μm深的各向异性石英

常见的氩气腐蚀文物是尖刺或耳朵，沟槽，和粗糙的表面。沟槽通常出现在蚀刻轮廓的边缘;这是因为靠近侧壁的离子由于光束发散和从侧壁反射而产生的“双剂量”效应。耳朵或尖刺是由于去除口罩后侧壁上的再沉积。粗糙的表面通常是在蚀刻多晶基片时造成的。

所有这些问题的一个解决方案是旋转角度蚀刻。造成挖沟的“双重剂量”效应被抵消;从掩模侧面的侧壁沉积被反射掉;多晶晶体有效地受到来自各个方向的离子的影响。另一个重要因素是掩模(通常是光刻胶)的轮廓。为了在蚀刻后得到良好的垂直侧壁，首先使用一个漂亮的正方形图案的抗蚀剂是很重要的，因为氩蚀刻(或铣削)是一种物理过程，可以有效地将抗蚀剂的形状转移到要蚀刻的材料上。掩模和蚀刻材料之间的选择性通常是1左右(甚至更少)基于材料。

确定要蚀刻的特定样品的理想参数是基于要求的，即蚀刻速率、侧壁形状和质量、掩膜能容忍的最高温度。例如，根据所选择的参数，使用30厘米的蚀刻源，在平板倾斜10°的情况下，可以在200mm以上达到非常好的均匀性，如图7所示。在这里，从硅晶圆中心到硅晶圆上的±95mm半径范围内，不均匀性低于±2%₂涂硅晶片。

图7。SiO的例子1₂蚀刻均匀度超过200mm

为了获得正确的参数，在可能的情况下，用SiO进行了确定蚀刻参数的背景工作₂涂覆晶片。在大多数情况下，配方通常会改变均匀性。某些应用可能需要在更小的区域内实现更紧密的均匀性，在这种情况下，可能需要不同的束能、气体流量、束散度和倾斜角度。图8显示了这种效应，在±95mm半径范围内的均匀性仅为±3.3%，但在±65mm范围内，当使用不同的波束能量参数将平板倾斜设置为30°时，均匀性小于±1%。

图8。SiO的例子2₂蚀刻均匀度超过200mm

这里的这两个示例说明，可以实现特定的均匀性，但不能在整个光束参数和/或压板倾斜角度范围内实现。同样，蚀刻均匀性与样品几何形状、待蚀刻样品的性质和其他工艺要求密切相关。图9中的曲线显示了一组束流能量和气流值随倾斜的均匀性变化。在这种特殊情况下，均匀性在压板倾斜10°时得到优化（压板方向见图4）。总的趋势是，随着倾斜角度的增加，不均匀性达到最小值，然后随着倾斜角度的增加，不均匀性将再次增加，见图9。

图9。SiO的例子₂腐蚀均匀度超过200mm，且倾斜角度不同

终点检测(EPD)方法通常用于离子束刻蚀第二离子质谱法或SIMS。为了在磁性材料或半导体器件的多层结构中的特定层上停止蚀刻，可以将此选项添加到工具功能中。被蚀刻样品表面的初级离子的影响将产生次级离子，次级离子与从样品中喷射出来的离子具有质量电荷比等特性。在图10中，可以很容易地看到各个层之间的转换。当一层是化合物时，例如CoFe, Co被选择用于监测，因为Fe通常已经存在于腔室和组件中，这将掩盖样品信号。

图10。模拟人生跟踪一个多层堆栈的例子

压板旋转可以清楚地看成是所有信号的小周期变化。模拟人生信号以每秒计数为单位，并随时间进行监控;薄层通常使用较慢的蚀刻速率，以允许SIMS端点信号的可控性。在本例中，样品的直径为4英寸，但小得多的样品，小到5 × 5平方毫米，仍然可以监测终点。

可以根据样本大小设置SIMS探针，使蚀刻允许最大的信号检测。当然，要在样品上蚀刻的材料的开放面积也是至关重要的，因为SIMS信号强度取决于蚀刻的材料数量和入射束电流密度。

结论

离子束刻蚀提供以下好处:

• 所有材料亚博网站下载均可蚀刻，包括未经等离子体蚀刻的材料
• 通过样品倾斜可实现侧壁成形
• 加入化学反应气体可以提高蚀刻速率
• 独立的离子束电流和能量控制
• 优良的运行，高重复性
• 良好的一致性
• 宽过程多功能性

这些信息已经从牛津仪器等离子技术提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

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