離子束刻蝕

離子束刻蝕也稱為離子銑，是指當(dāng)定向高能離子向固體靶撞擊時(shí),能量從入射離子轉(zhuǎn)移到固體表面原子上，如果固體表面原子間結(jié)合能低于入射離子能量時(shí)，固體表面原子就會(huì)被移開(kāi)或從表面上被除掉。通常離子束刻蝕所用的離子來(lái)自惰性氣體。離子束較小直徑約10nm，離子束刻蝕的結(jié)構(gòu)較小可能不會(huì)小于10nm。目前聚焦離子束刻蝕的束斑可達(dá)100nm以下，少的達(dá)到10nm，獲得較小線寬12nm的加工結(jié)果。相比電子與固體相互作用，離子在固體中的散射效應(yīng)較小，并能以較快的直寫(xiě)速度進(jìn)行小于50nm的刻蝕，故而聚焦離子束刻蝕是納米加工的一種理想方法。此外聚焦離子束技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下的無(wú)掩膜注入，甚至無(wú)顯影刻蝕，直接制造各種納米器件結(jié)構(gòu)。但是，在離子束加工過(guò)程中，損傷問(wèn)題比較突出，且離子束加工精度還不容易控制，控制精度也不夠高。

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反應(yīng)離子刻蝕的工作原理

通常情況下，反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的整個(gè)真空壁接地, 作為陽(yáng)極, 陰極是功率電極, 陰極側(cè)面的接地屏蔽罩可防止功率電極受到濺射。要腐蝕的基片放在功率電極上。腐蝕氣體按照一定的工作壓力和搭配比例充滿整個(gè)反應(yīng)室。對(duì)反應(yīng)腔中的腐蝕氣體, 加上大于氣體擊穿臨界值的高頻電場(chǎng), 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被高頻電場(chǎng)加速的雜散電子與氣體分子或原子進(jìn)行隨機(jī)碰撞, 當(dāng)電子能量大到一定程度時(shí), 隨機(jī)碰撞變?yōu)榉菑椥耘鲎? 產(chǎn)生二次電子發(fā)射, 它們又進(jìn)一步與氣體分子碰撞, 不斷激發(fā)或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和復(fù)合。當(dāng)電子的產(chǎn)生和消失過(guò)程達(dá)到平衡時(shí), 放電能繼續(xù)不斷地維持下去。由非彈性碰撞產(chǎn)生的離子、電子及及游離基(游離態(tài)的原子、分子或原子團(tuán)) 也稱為等離子體, 具有很強(qiáng)的化學(xué)活性, 可與被刻蝕樣品表面的原子起化學(xué)反應(yīng), 形成揮發(fā)性物質(zhì), 達(dá)到腐蝕樣品表層的目的。同時(shí), 由于陰極附近的電場(chǎng)方向垂直于陰極表面, 高能離子在一定的工作壓力下, 垂直地射向樣品表面, 進(jìn)行物理轟擊, 使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性 。

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反應(yīng)離子刻蝕的操作方法

通過(guò)向晶片盤(pán)片施加強(qiáng)RF（射頻）電磁場(chǎng)，在系統(tǒng)中啟動(dòng)等離子體。該場(chǎng)通常設(shè)定為13.56兆赫茲的頻率，施加在幾百瓦特。振蕩電場(chǎng)通過(guò)剝離電子來(lái)電離氣體分子，從而產(chǎn)生等離子體 [3]  。在場(chǎng)的每個(gè)循環(huán)中，電子在室中上下電加速，有時(shí)撞擊室的上壁和晶片盤(pán)。同時(shí)，響應(yīng)于RF電場(chǎng)，更大質(zhì)量的離子移動(dòng)相對(duì)較少。當(dāng)電子被吸收到腔室壁中時(shí)，它們被簡(jiǎn)單地送到地面并且不會(huì)改變系統(tǒng)的電子狀態(tài)。然而，沉積在晶片盤(pán)片上的電子由于其DC隔離而導(dǎo)致盤(pán)片積聚電荷。這種電荷積聚在盤(pán)片上產(chǎn)生大的負(fù)電壓，通常約為幾百伏。由于與自由電子相比較高的正離子濃度，等離子體本身產(chǎn)生略微正電荷。由于大的電壓差，正離子傾向于朝向晶片盤(pán)漂移，在晶片盤(pán)中它們與待蝕刻的樣品碰撞。離子與樣品表面上的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但也可以通過(guò)轉(zhuǎn)移一些動(dòng)能來(lái)敲除（濺射）某些材料。由于反應(yīng)離子的大部分垂直傳遞，反應(yīng)離子蝕刻可以產(chǎn)生非常各向異性的蝕刻輪廓，這與濕化學(xué)蝕刻的典型各向同性輪廓形成對(duì)比。RIE系統(tǒng)中的蝕刻條件很大程度上取決于許多工藝參數(shù)，例如壓力，氣體流量和RF功率。 RIE的改進(jìn)版本是深反應(yīng)離子蝕刻，用于挖掘深部特征。

離子束加工(mM)利用具有較高能量的離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)來(lái)進(jìn)行不同的加工。由于離子束轟擊材料是逐層去除原子，所以可以達(dá)到納米級(jí)的加工精度。離子束加工按其工藝原理和目的的不同可以分為三種：用于從工件上去除材料的刻蝕加工、用于給工件表面涂覆的鍍層加工以及用于表面改性的離子注入加工。由于電子束和離子束易于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，所以可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的全自動(dòng)化，但是電子束和離子束的聚焦、偏轉(zhuǎn)等方面還有許多技術(shù)問(wèn)題尚待解決