مقاله شماره 140: پرتو یونی متمرکز(FIB)

[m4material]

به نام خدا

پرتو یونی متمرکز(FIB)
​

مقدمه
از زمان کشف منبع یون فلزی مایع (‏LMI‏) در سال 1957، پرتو یونی متمرکز (‏Focused Ion Beam‏) به سرعت رشد کرده ‏است و به ابزاری جذاب برای لیتوگرافی، حکاکی (Etching)، رسوبگذاری و دوپینگ (Doping) تبدیل شده است. به این دلیل که ‏پراکندگی یون ها در گستره ‏MeV‏ چندین مرتبه توانی کمتر از الکترون ها است، به نظر می رسید که ‏لیتوگرافی پرتو الکترونی بتواند شفافیت های بهتری را ارائه کند. پرتوهای یونی متمرکز معمول از منابع یون ‏های فلزی مایع ‏Ga‏ و آلیاژهای ‏Au-Si-Be‏ به خاطر طول عمر بلند و پایداری آنها استفاده می کنند. ‏لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز قابلیت تولید وسایل الکترونیکی با اندازه زیرمیکرونی را داراست. امتیازات ‏لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز عبارتند از تابش بالا به رزیست (لایه مقاوم به تابش)، حساسیت که دو مرتبه توانی از لیتوگرافی پرتو ‏الکترونی بیشتر است و پراکندگی قابل صرفنظر یون ها در رزیست و پراکندگی روبه عقب کم از زیرلایه. ‏اگرچه لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز از برخی نقاط ضعف رنج می برد مانند عملکرد پایین و آسیب گسترده به ‏زیر لایه. بنابراین لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز برای کاربردهایی مناسب است که آسیب دیدن زیرلایه اهمیتی ‏نداشته باشد.‏

اچ کردن پرتو یونی متمرکز شامل اچ کردن اسپاترینگ (Sputtring) فیزیکی و اچ کردن شیمیایی می باشد. اچ کردن ‏اسپاترینگ فیزیکی مستقیم روبه جلو است و به این صورت انجام می شود که پرتوهای یونی منطقه مد نظر را ‏بمباران می کنند تا ماده را از نمونه جدا کنند. امتیازات این روش سادگی، قابلیت خودتنظیمی و قابلیت ‏کاربرد برای هر گونه ماده است. اچ شیمیایی برپایه واکنش های شیمیایی بین سطح زیرلایه و مولکول های ‏گازی جذب شده روی زیرلایه است. اچ شیمیایی امتیازات زیادی دارد: نرخ اچ کردن را افزایش می دهد، عدم ‏بازرسوبی و آسیب پسماند کمی وارد می کند. مخصوصا نرخ اچ شیمیایی بین 10 تا 100 لایه برای ترکیب ‏های مختلف مواد و گازهای اچ کننده است و عدم حضور بازرسوبی اجازه نسبت منظرهای بالا را به ما می ‏دهد.‏
پرتو یونی متمرکز را همچنین می توان برای رسوبگذاری استفاده کرد. شبیه به اچ کردن اینجا هم رسوبگذاری ‏مستقیم و شیمیایی وجود دارد. رسوبگذاری مستقیم از یون هایی با انرژی کم استفاده می کند در حالیکه ‏رسوبگذاری شیمیایی برپایه ی واکنش های شیمیایی بین زیرلایه و مولکول های جذب شده قرار دارد. برای ‏مثال یک آرایه از 36 ستون طلا همانطور که در شکل 1 نشان داده شده هر کدام با استفاده از رسوبگذاری ‏شیمیایی پرتو یونی متمرکز ایجاد شده اند.‏

شکل 1 - تصویر ‏SEM‏ نشان دهنده یک آرایه 36 تایی از ستون های طلایی با استفاده از رسوبگذاری شیمیایی پرتو یونی متمرکز.‏​

لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز امتیازات بسیاری برای ساخت و پردازش نانوساختارهای مغناطیسی در مقایسه با ‏لیتوگرافی پرتو الکترونی دارد. یون ها اساسا سنگینتر از الکترون ها هستند و بنابراین پرتو یونی متمرکز کمتر ‏از میدان مغناطیسی اثر می پذیرد. امتیاز دیگر قابلیت آن برای رسیدن به اچ مستقیم و یا رسوبگذاری با ‏استفاده از مراحل الگوگذاری است. نانوساختارهای مغناطیسی با استفاده از اچ و رسوبگذاری پرتو یونی متمرکز ‏ساخته شده اند. یک سر نانومغناطیسی حلقه ای شکل با استفاده از اچ پرتو یونی متمرکز ساخته شده و ‏فرآیند با رسوبگذاری پرتو یونی متمرکز تنگستن مغناطیسی به داخل حفره های اچ شده، ادامه داده شد. ‏سرهای مغناطیسی هر کدام با مقطع ‏‎140×60 nm2‎‏ و با طول ‏‎500 nm‎‏ از همه طرف محافظت شده با ‏خواص مغناطیسی موردنظر ساخته شده بودند. دوپ با پرتو یونی متمرکز را می توان شبیه به کاشتن معمولی ‏یون در نظر گرفت. ‏
همانطور که در بالا اشاره شد لیتوگرافی با پرتو یونی متمرکز پتانسیل بالای برای کاربرد در نانوتکنولوژی به ‏خاطر عدم وجود الکترون های بازگشتی دارد. این خاصیت بخصوص در جاهاییکه الکترون های بازگشتی ‏مشکل بزرگی هستند مهم می شود مثل در شکل دادن ماسک های اشعه ایکس با عمق بالا.

‏منابع یون فلزی مایع ‏
توسعه منابع یون فلزی مایع (‏LMIS‏) کاربردهای عملی تکنولوژی پرتو یونی متمرکز (‏FIB‏) را به صنعت نیمه ‏هادی ها آورده است. این شفافیت بالای منابع یون فلزی مایع تمرکز پرتوهای یونی با چگالی حال حاضر ‏‎1 A ‎cm-2‎‏ را به قطرهای زیر میکرونی افزایش داده است.‏
یک منبع یون فلزی مایع معمولا شامل یک منتشرکننده سوزنی با شعاع انتهایی ‏‎1-10µm‏ که با یک فلز با ‏کشش سطحی بالا و فشار بخار پایین در دمای ذوبش، پوشش داده شده است. منتشرکننده تا دمای ذوبش ‏گرما داده می شود در حالیکه ولتاژ مثبتی روی آن نسبت به الکترود خروجی وارد می شود. با ایجاد تعادل بین نیروهای الکتروستاتیکی و کشش سطحی، فلز مایع به ‏شکل یک مخروط در می آید. نوک مخروط مایع کاملاً کشیده شده و مخروط تیز شده است که میدان الکتریکی منجر می شود یون ها شروع به بخار شدن در ‏میدان بکنند. اینطور تصور می شود که نوک مخروط شعاعی در حدود 5 نانومتر دارد. نمای شماتیک در ‏شکل2 نشان داده شده است. معمولترین فلز منبع استفاده شده ‏Ga‏ است. ‏Au/Si‏ و آلیاژهای ‏Au/Si/Be‏ هم ‏برای لیتوگرافی به دلیل کمتر بودن جرم یون ها تولید شده توسط این مواد، استفاده می شوند.‏

شکل 2- شماتیک منبع یون فلزی مایع با نمای بزرگ شده از تیپ که کشیده شدگی مایع به شکل هلالی را در میدان الکتریکی نشان ‏می دهد.


​

‏در محدودیت اساسی کاربرد اندازه مجازی منبع و انرژی ساطع شده توسط یون های آزاد شده می باشد. ‏چونکه شعاع انتهایی یک منبع یونی فلزی مایع در حال کار از مرتبه 5 نانومتر است، جریانی معادل فقط چند ‏میکروآمپر می تواند چگالی جریان بسیار بالایی را در حدود ‏‎106Acm-2‎‏ به وجود آورد. در نتیجه آثار بسیار ‏بزرگ بار در فضا در پرتو الکترونی بوجود می آید که در خواص متمرکزسازی سامانه یونی اثر می گذارد. اندازه ‏مجازی منبع (یعنی شعاع موثر یون) خیلی بزرگتر از قطر فیزیکی ناحیه انتشار یون است. این امر به خاطر ‏نفوذ در مولفه های یون به وجود می آید که خود به دلیل برهم کنش های کولومبی نزدیک منبع (معمولا ‏‎50-100nm‎‏) است. در اینجا نیاز به از بین بردن خاصیت مغناطیسی سامانه یونی داریم تا به نقاط کانونی ‏کوچکتری روی نمونه برسیم. انتشار انرژی یون هایی که از منابع یونی فلزی مایع (‏‎5-20 eV‎‏) ساطع می ‏شوند خیلی بزرگتر از مقدار چشمداشتی است. این امر به خاطر چگالی بالای جریان در نقطه انتشار است. در ‏حقیقت توزیع انرژی به چگالی کل جریان وقتی که جریان بزرگتر از ‏‎1µA‏ است، بستگی دارد و با افزایش ‏جریان به سرعت افزایش پیدا می کند. انتشار انرژی منجر به خطای کروماتیک می شود که یون ها با انرژی ها ‏متفاوت در فواصل متفاوتی کانونی می شوند. حل این مشکل به این صورت است که اگر قطرهای کم می ‏خواهیم، زاویه مخروط یون ها کاهش یابد. بنابراین انتشار انرژی این اثر را داردکه چگالی جریان را در نقطه ‏کانونی کاهش می دهد.

‏اپتیک پرتو یونی متمرکز ‏
اولین ستون متمرکز کننده که از یک منبع یون فلز مایع استفاده می کرد به وسیله سلیگر و همکاران ساخته ‏شد. شماتیکی از ستون در شکل 3 نشان داده شده است. این یکی از ساده ترین ستون ها است که شامل یک ‏منبع یون، یک لنز الکتروستاتیکی تکی و یک منحرف کننده الکتروستاتیکی می باشد. بعد از این سیستم ‏بسیاری دیگر برای کابردهای گوناگون تهیه شده اند. آنها را به سادگی می توان به دو دسته تقسیم کرد: ستون ‏های با ولتاژ شتابدهی کم (‏‎<50kV‎‏) بدون جداسازی جرمی و ستون های با ولتاژ شتابدهی بالا (‏‎>100kV‎‏) ‏به همراه جداکننده جرمی. مورد اول برای کاربردهایی مثل تعمیر ماسک، اصلاح میکرومدارها و میکروسکوپ ‏های روبشی یونی که از منابع یونی فلز مذاب ‏Ga‏ استفاده می کنند طراحی شده است. مورد دوم برای ‏کاربردهایی مثل کاشتن یون و لیتوگرافی با منابع یون فلز مذاب آلیاژی ساخته شده است. مثالی از یک ستون ‏با جداکننده جرمی در شکل 4 نشان داده شده است. یون ها از منبع یونی فلز مذاب خارج شده و در یک ‏روزنه به وسیله لنزهای متمرکز کننده کانونی می شوند. حاصلضرب میدان های الکتریکی و مغناطیسی به ‏صورت یک "ف ي ل ت ر" سرعت عمل می کند و یون ها را با دقت بالا بر اساس جرم جداسازی می کند. "ف ي ل ت ر" مذکور ‏طوری تنظیم می شود که نمونه های یونی مد نظر از روزنه میانی و بقیه ستون اپنیکی عبور کند.‏

شکل 3 - شماتیک یک ستون کم ولتاژ بدون جداساز جرمی.‏


​

سپس لنز شیئی پرتو با جرم مشخص را روی هدف متمرکز می کند. چندین منحرف کننده الکتروستاتیکی ‏برای تنظیم و تصحیح آستیگماتیسم دستگاه تعبیه شده اند. این نوع ستون دو لنزی سعی در داشتن عمق ‏کانونی کمتری نسبت به نوع یک لنزی دارد که در شکل 3 نشان داده شده. چگالی های جریان پرتو معمولا به ‏اندازه یک ضریب 10 در زمانی که جریان منبع بین نمونه ها تقسیم شده، کوچکتر است. نمونه های متفاوت ‏به خاطر تغییراتی که در انرژی توزیع شده بین نمونه ها ایجاد می شود، چگالی های جریان متفاوتی هم تولید ‏می کنند. همچنین نمونه های دوبار یونیزه شده نسبت ‏ΔE/E‏ مطلوبی دارند (معادله 1 را ببینید). برای مثال ‏یک منبع آلیاژ ‏Au/Si‏ اندازه نقطه ‏Si2+‎‏ بهتری نسبت به ‏Au+‎‏ در جریان و ولتاژ شتاب دهنده مشابه خواهد ‏داشت زیرا ‏Si2+‎‏ توزیع انرژی کمتر و انرژی بیشتری به خاطر وضعیت دو بار یونیزه بودن دارد.‏

شکل 4 - شماتیک ستون ولتاژ بالا با جداکننده جرمی.‏


​

کارایی یک سامانه اپتیکی معمولا به صورت تابعی از اندازه پرتو متمرکز شده بیان می شود. این فاکتور معمولا ‏به صورت جمع سهم های حاصل از خطاهای اندازه و لنزها بدست می آید:‏

A=d[SUB]sp[/SUB][SUP]2[/SUP]+d[SUB]c[/SUB][SUP]2[/SUP]+d[SUB]so[/SUB][SUP]2[/SUP]‎​

به طوریکه ‏

d[SUB]sp[/SUB]=1/2.C[SUB]s[/SUB].α[SUP]3[/SUP],d[SUB]c[/SUB]=C[SUB]c[/SUB].∆E/E.α and d[SUB]so[/SUB]=Mδ​

Cs‏ و ‏Cc‏ ثوابت انحراف کروی و کروماتیک هستند ΔE‏ عرض توزیع انرژی، ‏E‏ انرژی پرتو، α نیم زاویه روزنه ‏محدود کننده پرتو و δ اندازه مجازی منبع است. این فرآیند به سرعت پیشگویی هایی برای کارایی سیستم ‏می کند که معمولا زیاد دقیق نیستند. دلیل این است که توزیع واقعی چگالی جریان را در صفحه هدف در ‏نظر نمی گیرد و آن را ثابت فرض می کند. عملا این توزیع بسیار غیرثابت است و جزئیات آن شفافیت قابل ‏دسترس سیستم و مورفولوژی حاصل در صورت استفاده از این پرتو را به ما می دهد. به منظور تعیین دقیق ‏کارایی سیستم، توزیع چگالی جریان باید از روش های دشواری اندازه گیری یا محاسبه شود. محاسبات را می ‏توان به وسیله تئوری پراش خطاها یا با استفاده از اپتیک هندسی با مرتبه سوم تئوری خطا بدست آورد. شکل ‏‏5 الف و ب توزیع چگالی جریان تئوری و محاسبه شده را نشان می دهد.

شکل 5- الف) توزیع چگالی جریان محاسبه شده برای سیستم پرتو یونی متمرکز در دو وضعیت کانونی متفاوت. ب) نمودار توزیع چگالی ‏جریان اندازه گیری شده (مربع ها) با تخمین گوسی (قله مرکزی) و نمایی (دنباله ها).‏​

کابردهای پرتو یونی متمرکز ‏
کاربردهای بیم یونی شامل یک یا بیشتر از سه جنبه ی اساسی از برهم کنش بین یون و ماده می شود. اثر ‏مدنظر پرتو یونی به وسیله یکی از سه روش ذیل حاصل می شود. 1) حضور یون وارد شده به جامد مثل ‏کاشت یون 2) برخورد نیمه الاستیک بین یون های پرانرژی و اتم های ماده مخاطب به طوریکه انتقال تکانه ‏منجر به جابجایی اتم ها می شود مثل اسپاترینگ فیزیکی یا آسیب تشعشعی. و 3) پراکندگی غیر الاستیک ‏یون ها به وسیله الکترون هایی در مخاطب که منجر به تغییرات شیمیایی می شوند مثل تابش به رزیست یا ‏رسوبگذاری با تحریک یونی. یون های برخوردی همیشه در اثر برخورد انرژی از دست می دهند و به طور ‏ناگهانی به آرامش می رسند. سهم نسبی این آثار بستگی به نمونه های یونی، انرژی، در برخی موارد نرخ ‏رسیدن (چگالی جریان) و خواص ماده مخاطب دارد. این آثار به خاطر استفاده وسیع کاشت یون برای ساخت ‏مدارهای مجتمع به گستردگی مطالعه شده اند. بنابراین داده های جدول بندی شده گستره کارکرد یون ها و ‏کدهای شبیه سازی برای کار با یون ها در جامدات به صورت آماده وجود دارد.‏

تعدادی آثار ثانویه در نتیجه تراکنش بین یون-جامد اتفاق می افتد. در حقیقت بسیاری از روش های پرتو ‏الکترونی با این آثار ثانویه حاصل می شوند. وقتی یک یون پر انرژی، انرژی خود را در ماده از دست می دهد، ‏برخوردها انتشار الکترون های ثانویه، یون های ثانویه، فوتون ها و اتم های کنده شده را موجب می شوند. ‏الکترون های ثانویه برای ایجاد تصویرها در میکروسکوپ یونی و یون های ثانویه در طیف سنجی جرمی یون ‏ثانویه (‏SIMS‏) استفاده می شوند. دوباره میزان و نسبت تولید این نمونه های ثانویه بستگی به پرتو یونی اولیه ‏و جنس ماده مخاطب دارد.‏

پدیده ی بالا در همه ی بمباران های یونی جامدات معمول است. تکنولوژی پرتو یونی متمرکز کابردهای ‏جدیدی در صنعت نیمه هادی بدست آورده است. برای مثال یک پرتو به خوبی متمرکز شده می تواند ‏الگوهای دلخواه را روی هدف ایجاد کند که این فرآیندهای بدون ماسک کاشت یون جای فرآیندهای ‏لیتوگرافی را می گیرند. همه کاربردهای پرتو یونی متمرکز معمولا از فرآیند بدون ماسک یا قابلیت شفافیت ‏بالابهره مند می شوند. کاربردهای نشان داده شده تاکنون را می توان با توجه به فرآیند فیزیکی استفاده شده ‏به شش گروه تقسیم کرد. این کاربردها عبارتند از: 1) کاشت 2) ماشین کاری 3) شیمی سطح (اچ کردن و ‏لایه نشانی) 4) لیتوگرافی 5) میکروسکوپی 6) آنالیز مواد.‏

شکل 6 - نمایی واقعی از پرتو یونی متمرکز.‏

​

منبع:http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/105