Sistem cu fascicul triplu SEM/FIB/Ar

Odată cu miniaturizarea ulterioară a dispozitivelor semiconductoare la scară nanometrică, cererea de observare de înaltă calitate, înaltă rezoluție, folosind un microscop electronic cu transmisie (transmission electron microscope = TEM) și un microscop electronic cu transmisie cu scanare (scanning transmission electron microscope = STEM), a crescut, rezultând în necesitatea unei tehnologii de preparare a probelor cu TEM compatibil de înaltă calitate, care asigură o deteriorare minimă a probei. În timp ce procesarea folosind fascicul de ioni de argon (Ar) cu tensiune de accelerare scăzută este cunoscută ca o soluție care permite prevenirea unor astfel de daune, au existat provocări nerezolvate în observarea probei doar printr-un fascicul de ioni Ar. Are fiabilitatea în detectarea punctului final și eficiența de lucru în pregătirea probelor TEM ultrasubțiri. Pentru a îndeplini aceste cerințe, SII NanoTechnology Inc, în decembrie 2005, a lansat primul sistem cu fascicul triplu din lume din seria SMI3000TB, disponibil comercial, care permite ca pregătirea probelor TEM de înaltă definiție să fie efectuată eficient cu un singur sistem. O vedere exterioară a sistemului hibrid cu fascicul triplu din seria SMI3000TB este prezentată în Fig. 7.

Seria SMI3000TB a fost dezvoltată pe baza conceptului care a integrat o coloană cu fascicul de ioni Ar nou dezvoltat cu un sistem cu fascicul dublu. Este ideal pentru pregătirea probelor TEM de înaltă calitate, deoarece sistemul permite poziționarea în anumite locații, precum și detectarea punctului final în timpul frezării cu ion Ar. Prin emiterea cu acuratețe a unui fascicul de ioni Ar cu accelerație scăzută de 1 kV sau mai puțin la locul de procesare a unei probe dispuse la punctul de coincidență FIB și EB (punctul de intersecție al fasciculului), sistemul realizează o finisare exactă și cu deteriorare redusă a probei. Procesul de pregătire a probei TEM, de la procesarea FIB de înaltă precizie până la finisarea cu deteriorare redusă, folosind un fascicul de ioni Ar cu accelerație scăzută, poate fi observat in situ cu SEM, ceea ce duce la îmbunătățirea fiabilității și eficienței în pregătirea probei TEM.

Bazat pe platforma de automatizare de înaltă performanță a seriei SMI3000 SIINT, recent, noile produse XVision 300 TB sunt pe piață; aceste facilități sunt echipate cu cea mai recentă coloană FIB a SIINT și coloană Gemini a lui Carl Zeiss, realizând o prelucrare extrem de precisă cu mai puține daune în comparație cu modelele convenționale. Sistemul cu fascicul triplu SEM/FIB/AR are caracteristicile imaginilor în timp real la aplicații de înaltă rezoluție, plachete complete și foto-mască, pregătirea automată a probelor TEM, analiza defecțiunilor, calificarea procesului și inspecția și modificarea măștii. XVision300TB poate ține mostre cu diametrul de până la 300 mm; are treapta basculantă eucentrică motorizată pe 5 axe. Pentru partea FIB, tensiunea de accelerare este în intervalul 1 ~ 30 kV (pas de 5 kV) și rezoluția de observare SE este de 4 nm @ 30 kV; pentru partea SEM, tensiunea de accelerare este în intervalul 1 ~ 30 kV iar rezoluția la 5 kV este de 3 nm; pentru fasciculul cu ioni de argon, tensiunea de accelerare este în intervalul 0,5 ~ 1 kV cu un curent de fascicul maxim de 10 nA la 1 kV. Sunt atașate patru canale de sisteme de alimentare cu gaz pentru depunerea materialului și gravarea selectivă/îmbunătățită (http://www. siint.com/en/news/news_2005_11_09_a.html).

Microscop cu ioni de heliu (Carl Zeiss ORION Plus HIM)

Microscopia cu ioni de câmp poate oferi imagini ale suprafețelor solide cu rezoluție atomică. În acest scop, vârfurile metalice fine împreună cu un gaz de imagistică, de preferință heliu, sunt operate la o temperatură de până la 20 K sau mai mică; structura atomică de lângă extremitatea vârfului este rezolvată. Obiectivul unei surse de ioni de câmp gazos este de a produce un fascicul intens focalizat cu un fascicul de ioni suficient de fin pentru modificarea locală a suprafețelor solide. Speciile de proiectile selectate depind de aplicația particulară. H+ și He+ produc în mod predominant excitații electronice în solide, în timp ce ionii grei precum Xe+ generează eficient deplasări atomice. Spectrul larg de aplicații variază de la expunerea fotorezistentă pentru producerea de circuite integrate până la amorfizarea materialului pentru generarea de modele optice. Odată cu apariția super-vîrfului GFIS, s-a demonstrat că GFIS cu un singur centru emitent, de câțiva nanometri, prezintă proprietăți excelente de sursă. Au fost atinse valori specifice de luminozitate de până la 10¹² A/cm² sr eV; în consecință, s-au obținut fascicule de ioni de mare intensitate cu pete de imagine în intervalul de nanometri mici.

Secretul puterii de rezoluție uimitoare a fasciculului cu ioni de heliu începe cu vârful super sursă. Atomii individuali sunt îndepărtați de la sursă până când se creează o piramidă atomică cu doar trei atomi la capătul vârfului sursei - o configurație numită „trimer”. Acest proces repetabil poate fi realizat in situ. Odată ce trimerul este format, vârful este menținut sub vid ridicat și temperaturi criogenice cu heliu gazos curgând peste el. Acului i se aplică o tensiune înaltă pentru a produce un câmp electric extrem de ridicat la vârful său. Gazul heliu este atras de vârful energizat unde este ionizat. Odată cu ionizarea care are loc în vecinătatea unui singur atom, fasciculul de ioni rezultat pare să emane dintr-o regiune care are o dimensiune mai mică de un angstrom. Acest lucru produce un fascicul extrem de luminos care poate fi focalizat la o dimensiune extraordinar de mică a sondei.

În plus, ionii de heliu sunt de aproximativ 8.000 de ori mai grei decât electronii. Un fascicul de ioni de heliu prezintă o difracție foarte mică atunci când este trecut printr-o apertură sau peste o margine. Difracția este o problemă semnificativă pentru un SEM în care efectul de difracție limitează dimensiunea punctului său final. Fasciculul de ioni de heliu are o lungime de undă DeBroglie care este de aproximativ 300 de ori mai mică decât un fascicul de electroni, rezultând o difracție mult mai mică. Deoarece fasciculul cu ioni de heliu nu este afectat de difracție, acesta poate fi focalizat la o dimensiune mult mai fină a punctului, permițând rezoluția sub-nanometrică. Sursa de ioni de heliu are o durată de viață foarte lungă datorită faptului că vârful sursei este întotdeauna menținut la un potențial pozitiv. Singurele lucruri atrase de vârf sunt electronii, care nu provoacă efecte negative. Ionii încărcați pozitiv sunt respinși de la vârf, iar alte gaze vor fi ionizate înainte ca acestea să aibă șansa de a lovi vârful sursei. Din acest motiv, durata de viață a sursei cu ioni de heliu este cu mult peste 1.000 de ore. Numărul de electroni secundari detectați este utilizat pentru a determina nivelul de gri al respectivului pixel. Deoarece numărul de electroni secundari detectați variază în funcție de compoziția și forma materialului, imaginile oferă informații topografice și compoziționale excelente.

Microscopul cu ioni de heliu Carl Zeiss ORION Plus trece dincolo de imagistica subnanometrică pentru a avansa în fabricarea dispozitivelor nano-electronice și nanofotonice. Spre deosebire de microscoapele electronice cu scanare, care imaginează și măsoară prin focalizarea electronilor într-un fascicul, ORION utilizează ioni de heliu care pot fi focalizați într-o sondă de dimensiune mai mică. Acest lucru oferă o interacțiune cu eșantionul mai mică în comparație cu electronii și permite o rezoluție semnificativ mai mare a imaginii, adâncimea focalizării și contrastul materialului. Fasciculul de ioni de heliu ORION este raportat a fi cea mai strălucitoare sursă de iluminare care a fost creată până acum. Acest lucru se datorează faptului că provine dintr-o regiune mai mică de un angstrom. Utilizarea ionilor de heliu în loc de electroni sau alte alternative oferă, de asemenea, alte beneficii, inclusiv un randament ridicat de electroni secundari și mai puține daune ale probei. Imaginile oferă informații detaliate despre proprietățile topografice, materiale, cristalografice și electrice ale probelor.

Oamenii de știință investighează în prezent noi utilizări pentru microscopia cu ioni de heliu în nano-modele. Deoarece nu este limitată de efectul de proximitate al litografiei e-beam convenționale, tehnologia cu ioni de heliu pare a fi o alternativă inovatoare, mai ales când vine vorba de imprimarea unor caracteristici din ce în ce mai fine. De peste 2 ani, microscopul cu ioni de heliu ORION Plus de la Carl Zeiss este cunoscut pentru excelența sa în imagistica probelor izolatoare neacoperite și materialelor moi cu rezoluție subnanometrică (specificație de rezoluție <0,35 nm). Acum, cu o bază instalată în creștere de instrumente ORION în cercetarea și dezvoltarea academică și industrială, microscopiștii extind diversitatea aplicațiilor pentru a include nanofabricarea. Cercetătorii au modelat puncte de 5 nm pe un pas de 14 nm, în timp ce alte echipe au demonstrat linii L-bar bine delimitate în rezistența HSQ. Acest nou regim de fidelitate a modelului este activat de adâncimea mare de câmp a microscopului și de raza scurtă a electronilor secundari inițiați de ioni din materialele rezistente tipice. Modelele definite de ioni de heliu în HSQ pot fi obținute cu ușurință fără constrângerile obișnuite ale ferestrei de proces înguste adesea asociate cu litografia optică convențională și cu fascicul electronic (http://www.microscopy-analysis.com/news/carl-zeissadvances-nanofabrication-research-helium-ion-microscope).

Instrumente nanolitografice cu fascicul de ioni

În ultimii ani, au fost depuse eforturi intense la nivel internațional pentru a găsi cea mai bună opțiune pentru litografie sub-100 nm. Cu litografia cu imersie în apă de 193 nm, pare să existe posibilitatea de a împinge producția dispozitivului la nivelul de 65 nm și, eventual, chiar mai jos, prin implementarea unor tehnici sofisticate de îmbunătățire a rezoluției. Dincolo de aceste limite fotolitografice, litografia fără mască devine o opțiune importantă pentru fabricarea dispozitivelor cu volum mic și mediu. Pentru dispozitive cu caracteristici sub 50 nm, cum ar fi sistemele nanoelectromecanice, nanofotonica, nanomagnetica, dispozitivele de nanotehnologie moleculară și metodele de fabricație noi și chiar revoluționare se vor dovedi a fi obligatorii. Litografia tradițională este doar o fracțiune dintr-o mare varietate de posibilități de nanostructurare. În mod ideal, este necesară o nouă paradigmă, pentru a depăși limitările de interferență inerente litografiei optice.

Litografia cu fascicul de ioni este practica utilizării ionilor energetici pentru a iradia o suprafață pentru a crea structuri foarte mici, cum ar fi circuite integrate sau alte nanostructuri. Litografia cu fascicul de ioni oferă o modelare cu rezoluție mai mare decât litografia UV, cu raze X sau cu fascicul de electroni, deoarece ionii au o lungime de undă mai mică decât lumina UV, razele X și fasciculul electronic și nu suferă aproape nicio difracție sau împrăștiere. Există, de asemenea, un efect potențial de radiație redus asupra structurilor de bază sensibile în comparație cu litografia cu raze X și cu fascicul electronic. S-a constatat că este util pentru transferul modelelor de înaltă fidelitate pe substraturi, în special pe suprafețe tridimensionale (Parikh et al. 2008). Între timp, deoarece ionii sunt masivi în comparație cu electronii, astfel traiectoriile de penetrare și proiecție sunt mult mai scurte decât cele ale electronilor. Cu alte cuvinte, energia poate fi transferată rezistului iradiat într-un timp scurt; astfel, are o sensibilitate mult mai mare, ceea ce duce la unul sau două ordine de viteză de expunere mai rapidă. Nu există aproape nici un efect de proximitate care există în litografia cu fascicul de ioni, deoarece distanța de parcurs a ionilor în material rezistent, precum și în substrat este scurtă. Mai mult, efectul de proximitate neglijabil înseamnă că dimensiunea caracteristicii modelului de expunere este foarte puțin afectată de doza de expunere, ceea ce înseamnă că litografia cu fascicul de ioni ar putea crește foarte mult rata de producție și poate reduce costul. Cel mai important, poate fi folosit pentru scrierea directă fără a folosi nicio rezistență. Dar, are dezavantaje, cum ar fi că poate provoca deteriorarea substratului, iar viteza de expunere este limitată de viteza operațională de scanare și viteza plăcii de golire.

În funcție de modurile de expunere, litografia cu fascicul de ioni poate fi clasificată în (a) litografia cu fascicul de ioni cu scanare, (b) litografia cu fascicul de ioni mascat și (c) litografia cu fascicul de ioni de proiecție. Prima se mai numește și litografie cu fascicul ionic fără mască (mask-less ion beam lithography = MLIBL). Este similar cu litografia cu fascicul de electroni. În sistemele MLIBL, ionii emiși de la sursa de ioni sunt în primul rând accelerați, condensați și focalizați de optica ionică; apoi fasciculul fin este scanat pe suprafața probei și urmează modelul proiectat de utilizator prin bobinele de deviere și plăcile de blocare a fasciculului, care sunt controlate în continuare de computer. Litografia cu fascicul de ioni mascat este o tehnică în care un fascicul larg de ioni energetici inundă o mască șablon și fasciculele transmise transferă modelul măștii pentru a rezista pe un substrat. În sistemele de litografie cu fascicul de ioni mascat și de proiecție, se formează fascicule paralele și se realizează expunerea cu o mască prefabricată. IBL are o adâncime de câmp de până la 20.000 de ori mai mare decât dimensiunea minimă a caracteristicii; metoda de expunere paralelă oferă și un potențial de mare debit; astfel, este foarte atractiv pentru prototiparea și fabricarea sistemelor nanoelectromecanice peste topografia abruptă a plachetelor de siliciu microprelucrate (Cui 2005; Yao 2010; Loeschner et al. 2002).

Scrierea directă a fasciculului ionic focalizat cu proiecție ionică este o tehnică promițătoare pentru a realiza fabricarea cu randament ridicat la scară nanometrică. IMS Nanofabrication GmbH, bazată pe fostele sisteme de proiecție cu ioni de reducere 4x, 5x și 10x, a dezvoltat un instrument cu fascicule multiple de ioni focalizat pe proiecție (projection focused ion multi-beam = PROFIB), care are o reducere optică de 200x ioni, oferind aplicații interesante pentru micro și nano tehnologie. Principiile sistemului PROFIB sunt prezentate schematic în Fig. 8c. Gazul de argon este alimentat la o sursă de ioni multi-vârf cuplată cu un sistem de extracție adecvat și un filtru de masă ExB. Un sistem optic de condensator electrostatic generează un fascicul de ioni larg omogen, iluminând o membrană de mască șablon care constituie un plan obiectiv pentru următoarea optică de reducere electrostatică. Deoarece masca șablon face parte din sistemul optic de reducere electrostatică, se poate obține un efect electrostatic de lentilă divergent care reduce foarte mult curbura câmpului în apropierea planului substratului. Există o încrucișare în cadrul opticii cu mai mulți electrozi, care este mărită folosind aberația, reducând astfel la minimum interacțiunile Coulomb stocastice.

Optica de extracție a sursei de ioni este modelată corespunzător, astfel încât sursa virtuală de ioni să aibă un diametru de ~10 μm. Prin urmare, un punct din masca șablon este iradiat dintr-un con de fascicul de ioni cu un unghi foarte mic, ceea ce duce la o apertură numerică (numerical aperture =NA) a opticii de aproximativ 10^-5 rad. Întrucât un sistem de proiecție funcționează cu electroni de 100 keV la acest mic, NA ar avea o rezoluție limitată de difracție de câțiva 100 nm; operarea cu ioni are avantaje decisive. În același sistem care utilizează ioni Ar+ de 50 keV, rezoluția limitată de difracție este de aproximativ 1 nm. Prin urmare, optica unui sistem de litografie cu proiecție ionică se poate baza pe NA extrem de mică, care este cheia pentru obținerea câmpurilor de expunere mari.

Un concept pentru un instrument cu multi-fascicule de ioni focalizate cu proiecție de reducere de 200 a fost dezvoltat de nanofabricarea IMS. Există o diferență între Micro-PROFIB și Nano-PROFIB, deși principiile de bază sunt aceleași. Micro-PROFIB este operat în modul de curent maxim, în timp ce Nano-PROFIB este operat în modul de rezoluție maximă. PROFIB-urile au aplicații potențiale în domeniile micro- și nano-electronicei, MEMS și NEMS, nano-materiale funcționalizate, sisteme de senzori și actuatoarei și nanotehnologie biomedicală.

Utilizarea unui sistem ion-optic cu reducere de 200 oferă posibilitatea de a realiza densități mari de curent al fasciculului de ioni la substratul de modificat, în raport cu contrastul topografic, morfologic, chimic sau electronic. Pentru a obține o rezoluție de 1 μm la curenții de scriere, necesari în mod obișnuit pentru fabricarea MEMS (modul ~ 1 μA), sunt utilizate deschideri de 200 μm într-o placă de mască șablon (de exemplu, placă de oțel inoxidabil de 50 μm), care poate fi fabricată simplu cu, de exemplu, tehnici de micro-eroziune. Pe de altă parte, aceeași configurație optică este capabilă să rezolve caracteristicile <10 nm (mod ~ 10 nA) cu deschideri ale măștii șablon de ~ 1 μm la un curent comparabil mai mic prin coloană. Măștile cu deschideri de 1 μm pot fi fabricate cu tehnologia siliciului, așa cum este utilizată în orice fabrică de semiconductori convențională. Datorită factorului de reducere ridicat, deteriorarea măștii este redusă efectiv (40.000). Pentru a prelungi durata de viață a măștii șablon, straturile de protecție sunt utilizate pentru a reduce și mai mult daunele prin pulverizare și implantare.

În ceea ce privește Nano-PROFIB, scopul este de a obține o rezoluție sub 10 nm într-un câmp de expunere de 20 μm². Aceasta înseamnă că va exista posibilitatea de a expune, de exemplu, un milion de puncte de 10 nm în mai puțin de 0,5 s pentru o doză de 10¹⁶ ioni/cm² într-o singură lovitură. Modelul va fi fără distorsiuni, datorită utilizării unei măști de șablon pre-conturat. În special, combinația dintre structurarea de sus în jos cu tehnici selective de auto-asamblare de jos în sus este cheia pentru implementarea modelelor noi pentru o mare varietate de produse nanotehnologice emergente în domeniul nano-opticii, nano-magneticii etc.

Se realizează modurile de expunere în trepte și scanare. Implementând electrozi cu lentile multipolare în coloană, tehnicile de expunere în trepte electrostatice (electrostatic step exposure = ESE) vor spori versatilitatea pentru prototiparea rapidă. Acest lucru permite realizarea de modele arbitrare cu o singură mască șablon, eliminând astfel necesitatea unei suprapuneri complementare a măștii șablon. ESE se realizează prin expunere de patru ori, prin deplasări electrostatice ale imaginii cu o precizie de ~0,1 nm (Fig. 9). Strategia de prelucrare pentru o anumită aplicație va fi ajustată la structurile particulare de transferat.

PROFIB poate fi, de asemenea, utilizat pentru a efectua structurarea directă a proiecției, care oferă o multitudine de aplicații interesante în micro și nanotehnologie, incluzând eroziunea fasciculului de ioni, depunerea asistată de fascicul de ioni, implantarea și alte modificări ale materiei ale fasciculului de ioni (Fig. 10). Deoarece curentul total al fasciculului care acționează paralel pe substrat este vizat la o rezoluție de 1 μA/1 μm și, respectiv, la o rezoluție de 10 nA/<10 nm, debitul potențial al PROFIB este cu 2-3 ordine mai mare decât pentru tehnologia FIB actuală (un singur fascicul). Această productivitate ridicată (în ciuda luminozității relativ scăzute a sursei în comparație cu o sursă de ioni de metal lichid) (Scipioni et al. 2000)) se bazează pe noul sistem optic cu reducere de câmp mare 200, care permite utilizarea eficientă a densității de curent extrasă dintr-un sursă de ioni multivârf, rezultând o productivitate sporită pe o zonă de expunere de până la 100 μm dimensiunea câmpului imaginii (Loeschner et al. 2002).