СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ФОКУСИРОВАННЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ
METHOD OF FORMING OBJECTS ON SURFACE OF MATERIALS USING FOCUSED ION BEAM

Способ относится к области радиационно-пучковых технологий создания на поверхности материалов объектов с заданными геометрическими параметрами и может применяться для изменения свойств и геометрии поверхности объектов наноэлектроники.
Характерные размеры современной элементной базы микроэлектроники составляют несколько десятков нанометров. Формирование и исследование таких объектов представляет определенные технические сложности, особенно на этапе создания моделей элементов микроэлектроники нанометрового размера на поверхности полупроводниковой пластины. Одним из перспективных способов такого моделирования является использование фокусированного ионного пучка, причем наиболее эффективным является использование двух лучевых сканирующих микроскопов с электронным и ионным пучками.
При этом проблемой является формирование объектов нанометрового размера на значительной площади, а также отсутствие возможности использования рабочей поверхности образца для настройки оптики электронной и ионной пушек, так как при настройке происходит разрушение ионным пучком покрытия на поверхности образца. Для совмещения изображений поверхности, полученной при использовании ионного и электронного пучков, необходимо проведение настройки оптики на одном участке, а формирование объектов на другом участке, отстоящем от первого на 50-100 микрометров. Это обеспечивает формирование объектов на поверхности, не подвергшейся облучению ионами. Сложность формирования объектов нанометрового размера заключается также в том, что поверхность образца не является идеально плоской и поэтому ее невозможно сориентировать относительно ионной и электронной пушек с необходимой точностью. Вследствие этого при смещении образца объект уходит из плоскости пересечения пучков двух пушек, что приводит к смещению изображения поверхности при освещении ионами относительно изображения поверхности при освещении электронами.
Известны методы модификации поверхности фокусированным ионным пучком с различными целями, например для маркировки алмазов [RU, заявка №99128055, опубл. 20.08.2002], или подготовки образцов для просвечивающей электронной микроскопии [EP, патент №1879011, опубл. 16.01.2008], или создания модифицированного покрытия [RU, патент №2328548, опубл. 10.07.2008]. Во всех случаях минимальный размер объектов или линий составляет 1-2 микрометра при максимальном размере, равном 200-300 микрометров. Использование специальных пьезоэлектрических держателей позволяет существенно увеличить точность создания геометрии объектов, а именно до 1 нм при размере объекта 50 нм, но такие держатели ограничены максимальным перемещением, составляющим 5-7 микрометров.
Общим недостатком указанных способов является низкая точность воспроизведения геометрии объектов при их больших размерах и отклонение поверхности объекта от плоскости пересечения электронного и ионного пучков.
Наиболее близким к заявляемому является способ модификации поверхности и создания трехмерных объектов [Hoshino et al. Development of 3D pattern-generating system // J. Vac. Sci. Technol. B. 21(6). 2003. Р.2732-2736], выбранный за прототип.
Способ включает следующие стадии:
- предварительный анализ модели объекта и определение порядка формирования точек объекта;
- определение точек, необходимых для формирования выступающих и внутренних участков объекта;
- формирование объекта, осаждаемого из газовой фазы, посредством облучения поверхности ионным пучком; эта стадия осуществляется согласно ранее определенному порядку формирования точек объекта и производится без изменения положения держателя или электронного смещения.
При этом точность формирования объекта составляет 80-100 нм при размере объектов 1000-8000 нм.
Недостатками известного способа формирования объектов фокусированным ионным пучком являются:
- недостаточная точность воспроизведения геометрических характеристик объекта, что является следствием отсутствия учета конфигурации поверхности;
- необходимость использования специализированного оборудования (генератора развертки и гашения пучка).
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа формирования объектов на поверхности материалов, позволяющего обеспечить высокую точность совмещения электронного и ионного изображений, что в свою очередь обеспечивает соответствие формируемого объекта задаваемой модели.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации предлагаемого изобретения, являются:
- увеличение точности при формировании объектов нанометрового размера на поверхности материалов с заданными геометрическими параметрами за счет учета конфигурации поверхности;
- повышение технологичности способа создания объектов.
Заявляемое изобретение позволяет обеспечить стабильные характеристики процесса формирования объектов за счет комбинированного использования механического перемещения держателя объекта и электронного совмещения изображений, получаемых при облучении образца ионами и электронами, а также благодаря вычислению корректировок координат объектов по создаваемой математической модели поверхности образца.
Поставленная задача решается способом формирования объектов на поверхности материалов, который включает анализ поверхности, калибровку оптики электронной и ионной пушек двухлучевого сканирующего микроскопа и формирование объектов фокусированным ионным пучком, математическое моделирование поверхности исследуемого образца, позволяющего обеспечить высокую точность совмещения электронного и ионного изображений.
Поставленная задача оптимальным образом решается нанесением фокусированным ионным пучком маркеров по квадратной или прямоугольной сетке с целью обеспечения необходимой геометрической точности создания объектов на поверхности материала.
Количество маркеров определяется сложностью рельефа поверхности, выбранной степенью полиномиальной модели поверхности, размерами образца, размерами и количеством формируемых объектов. Необходимость оптимизации параметров вызвана тем, что:
- при формировании маркера ионами повреждается участок поверхности порядка 20×20 микрометров;
- расстояние между поврежденными участками (маркерами) должно быть достаточно для формирования объектов;
2
- количество маркеров зависит от степени полиноминальной модели поверхности как (n+1), где n - степень полинома, следовательно, для бикубической аппроксимации поверхности необходимо 16 маркеров; при этом для построения модели поверхности нецелесообразно использование полиномов выше 3-й степени ввиду увеличения количества маркеров и незначительного увеличения точности аппроксимации поверхности.
После нанесения маркеров производят их фотографирование при освещении электронами и вычисляют смещение между планируемым и реальным положением маркеров. Координаты маркеров и смещение по осям заносят в таблицу и рассчитывают смещения с помощью специализированной компьютерной программы для обработки изображений или вручную, используя соответствующие математические формулы. Далее с помощью компьютерной программы по полученным данным строят аппроксимацию поверхности полиномом заданной степени и вычисляют необходимые поправки к координатам планируемых объектов для различных участков поверхности. По вычисленным значениям, если необходимо, производят механическую корректировку положения держателя, а точную корректировку производят электронным смещением ионного и электронного пучков. Так производят механическую и электронную корректировку отклонения положения образца от позиции пересечения ионного и электронного пучков при перемещении держателя в рабочую, не облученную область. Это позволяет увеличить точность формирования, которая составляет 50-150 нм. При этом данный метод можно использовать для любой модели двухлучевых ионно-электронных установок.
Если имеются априорные данные о поверхности образца, то их можно использовать при построении модели поверхности, что также повышает точность создания объектов.
Экспериментальным путем установлено, что заявляемое изобретение позволяет увеличить точность повторения геометрических характеристик при формировании объектов на поверхности, которая повышается в 7-18 раз в зависимости от степени соответствия модели реальной поверхности.
Возможность осуществления заявляемого изобретения поясняется примерами его применения и прилагаемыми графическими изображениями, на которых:
фиг.1 - увеличенная схема расположения электронного и ионного пучков относительно идеальной плоскости их пересечения и реальной поверхности объекта. (1 - положение идеальной плоскости пересечения ионного и электронного пучков; 2 - положение реальной поверхности объекта; А - одна из точек пересечения электронного и ионного пучков; Б - точка пересечения электронного пучка и реальной поверхности объекта; В - точка пересечения ионного пучка и реальной поверхности; Э - электронный пучок; И - ионный пучок);
фиг.2 - фотография участка торцевой поверхности оптоволокна с вырезанным отверстием при 17,89 тыс. крат. увеличении - без использования предлагаемого способа; смещение реального положения от заданного составляет 1654 нм по горизонтали и 1261 нм по вертикали;
фиг.3 - фотография участка торцевой поверхности оптоволокна перед нанесением маркеров при 15 тыс. крат. увеличении; квадратами отмечены места, где будут нанесены маркеры;
фиг.4 - фотография участка торцевой поверхности оптоволокна после нанесения маркеров при 15 тыс. крат. увеличении;
фиг.5 - фотография участка поверхности оптоволокна после формирования отверстия в центре участка при 15,16 тыс. крат. увеличении;
фиг.6 - фотография участка поверхности оптоволокна с отверстием, перекрестьем в центре при 15,16 тыс. крат. увеличении;
фиг.7 - фотография участка поверхности оптоволокна при большем увеличении; отверстие отстоит от центра участка на 62 нм по горизонтали и 93 нм по вертикали;
фиг.8 - фотография участка поверхности оптоволокна с выемкой и выступом в центре;
фиг.9 - фотография и профиль поверхности оптоволокна с выступающей частью;
фиг.10 - фотография участка поверхности оптоволокна с вырезанным отверстием с использованием маркеров, но без учета профиля выступающей части; ошибка позиционирования составляет 1504 нм;
фиг.11 - фотография участка поверхности оптоволокна с выступающей частью с вырезанным отверстием с использованием маркеров и учетом геометрии выступающей части; ошибка позиционирования составляет 196 нм.
Пример 1.
Эксперимент выполнен на двухлучевом сканирующем микроскопе ZEISS CrossBeam 1540XB.
Задачей эксперимента является формирование отверстия диаметром не более 200×200 нм в центре торцевой поверхности оптоволокна с диаметром 120 микрометров. Оптоволокно имеет сердцевину с диаметром около 5 микрометров и покрыто защитным слоем металла. При формировании отверстия сердцевина должна оставаться неповрежденной.
+
Для формирования отверстия использовали ионный пучок Ga с током от 5 до 50 пА, диаметром от 10 нм до 100 нм, при ускоряющем напряжении 30 кВ. Так как ионный пучок повреждает защитный слой металла, это не позволяет провести юстировку ионной пушки ближе чем 10-15 микрометров от края сердцевины. В двухлучевых системах электронная и ионная пушки расположены под некоторым углом относительно друг друга, который составляет обычно 50-60 градусов; при этом электронная пушка располагается вертикально, а ионная - под углом к ней. Для модификации поверхности ионным пучком образец вместе с держателем наклоняется на соответствующий угол так, чтобы ионный пучок падал по нормали к поверхности. Как показано на фиг.1, плоскость образца не совпадает с плоскостью пересечения ионного и электронного пучка и механическое перемещение образца в плоскости XY приводит к изменению расстояния между идеальным положением и реальным, что выражается в смещении точки травления ионным пучком относительно ее электронного изображения. Аналогичная картина наблюдается, если использовать электронное смещение позиций ионного и/или электронного пучка.
На фиг.2 продемонстрирован результат формирования отверстия в торцевой поверхности оптоволокна без использования предлагаемого способа; показано, что реальная позиция отверстия не совпадает с планируемым положением. При этом отклонение составляет 1654 нм по горизонтали и 1261 нм по вертикали, что составляет 2080 нм от требуемой точки.
На фиг.3 показана фотография участка торцевой поверхности оптоволокна перед нанесением маркеров при 15 тыс. крат. увеличении; квадратами отмечены места, где будут нанесены маркеры.
На фиг.4 представлена фотография участка торцевой поверхности оптоволокна после нанесения маркеров при том же увеличении, что и на фиг.3, которая демонстрирует наличие смещения маркеров. Далее проводили измерение смещения реальных позиций маркеров вручную или с использованием специальной программы обработки изображений. Заданные координаты маркеров и соответствующие смещения реальных позиций маркеров приведены в таблице.
Таблица
Заданные координаты маркеров и смещения положений реальных маркеров
Маркер
Заданные координаты маркеров
Смещение реальных позиций маркеров относительно заданных координат
№
X nm
Y nm
dX nm
dY nm
1
-7000
-5000
-20
1720
2
7000
-5000
567
1797
3
-7000
5000
-40
1250
4
7000
5000
664
1270
1
2
3
4
1
2
3
4
В том случае, если смещение координат по оси Y составляет более 25% от размеров изображения (сканируемой области) и реальные позиции выходят за область сканирования электронного пучка (т.е. смещение между электронным и ионным изображением велико), предварительно необходимо провести механическую корректировку позиции держателя образца по оси Z. Необходимое механическое смещение вычисляли по формуле dZ=dY×tg(54°). После механического смещения необходимо заново наносить маркеры и определять их смещение. Электронное совмещение электронного и ионного изображений целесообразно выполнять в том случае, если смещения координат маркеров одинаковы для всех позиций, т.е. dX≈dX≈dX≈dX и dY≈dY≈dY≈dY. Тогда достаточно произвести смещение всего электронного изображения относительно ионного изображения на dX и dY по соответствующим осям. В примере 1 механическая корректировка не нужна, т.к. очевидно, что смещения реальных позиций маркеров являются функцией двух переменных, координат Х и Y, следовательно, необходимо изменять координаты формируемого объекта. Для вычисления смещения в зависимости от координат произвольной точки на изображении использовали билинейную аппроксимацию по соответствующей формуле:
2
2
1
2
2
1
1
1
2
1
2
1
F(X,Y)=(f(1)·(X-X)·(Y-Y)+f(2)·(X-X)·(Y-Y)+f(3)·(X-X)·(Y-Y)+f(4)·(X-X)·(Y-Y))/((X-X)·(Y-Y)),
i
i
где F(X,Y) - искомое смещение (dX или dY) для координат X, Y; f(i) значение смещения (dX или dY) i-того маркера; Х, Y; - координаты маркера номер i.
Согласно вычислениям смещение для центра изображения с координатами (0,0) составляет 293 нм по Х и 1509 нм по Y. С учетом смещения формировали отверстие, которое необходимо сформировать в соответствии с условиями эксперимента; результаты приведены на фиг.5-7.
На фиг.7 показано, что смещение отверстия от центра участка равно 62 нм по горизонтали и 93 нм по вертикали, что составляет 112 нм от центра и существенно лучше исходных смещений, приведенных в таблице.
Пример 2
В некоторых случаях форма поверхности образца является более сложной, например на поверхности имеется выемка с возвышением в центральной части (фиг.8). На фиг.9 приведены фотография и профиль поверхности оптоволокна с выступающей частью.
Задачей эксперимента является формирование отверстия в центральной верхней точке возвышения фокусированным ионным пучком размером не более 100 нм.
Использование предлагаемого способа, но без учета дополнительных данных о геометрии центральной части, приводит к значительной ошибке в позиции отверстия, как продемонстрировано на фиг.10. Смещение составляет 275 нм по горизонтали и 1479 нм по вертикали, расстояние от необходимой точки составляет 1504 нм. Учет возвышения в 660 нм, вычисленного по данным профиля, приведенного на (фиг.9), приводит к необходимости внесения дополнительной корректировки по оси ординат, равной Δ=660·tg (54°)=908 (нм), где 54° - угол между электронным и ионным пучком. Учет этого смещения, в дополнение к смещениям, вычисленным по маркерам, позволяет получить отверстие гораздо ближе к центральной точке возвышения. На фиг.11 приведена фотография участка поверхности с отверстием, расположенным на расстоянии 173 нм по горизонтали и 93 нм по вертикали, что составляет 196 от верхней точки выпуклости.
Данный пример показывает, что заявляемое изобретение позволяет значительно увеличить точность при формировании объектов нанометрового размера с заданными геометрическими параметрами на поверхности материалов за счет учета конфигурации поверхности.