2020-02-08-2小刘科研笔记之FIB-SEM双束系统在材料研究中的应用

2020-02-08-2小刘科研笔记之FIB-SEM双束系统在材料研究中的应用,第1张

聚焦离子束扫描电镜双束系统(FIB-SEM)是在SEM的基础上增加了聚焦离子束镜筒的双束系统,同时具备微纳加工和成像的功能,广泛应用于科学研究和半导体芯片研发等多个领域。本文记录一下FIB-SEM在材料研究中的应用。

以目前实验室配有的FIB-SEM的型号是蔡司的Crossbeam 540为例进行如下分析,离子束最高成像分辨率为3nm,电子束最高分辨率为0.9nm。该系统的主要部件及功能如下:

1.离子束: 溅射(切割、抛光、刻蚀);刻蚀最小线宽10nm,切片最薄3nm。 

2.电子束 : 成像和实时观察

3.GIS(气体注入系统): 沉积和辅助刻蚀;五种气体:Pt、W、SiO2、Au、XeF2(增强刻蚀SiO2)

4.纳米机械手:  转移样品 

5.EDS: 成分定量和分布

6.EBSD : 微区晶向及晶粒分布

7.Loadlock(样品预抽室): 快速进样,进样时间只需~1min

由上述FIB-SEM的一个部件或多个部件联合使用,可以实现在材料研究中的多种应用,具体应用实例如下:

图2a和b分别是梳子形状的CdS微米线的光学显微镜和扫描电镜照片,从光学显微镜照片可以看出在CdS微米线节点处内部含有其他物质,但无法确定是什么材料和内部形貌。利用FIB-SEM在节点处定点切割截面,然后对截面成像和做EDS mapping,如图2c、d、e和f所示,可以很直观的得到在CdS微米线的节点处内部含有Sn球。

FIB-SEM制备TEM样品的常规步骤如图3所示,主要有以下几步:

1)在样品感兴趣位置沉积pt保护层

2)在感兴趣区域的两侧挖大坑,得到只有约1微米厚的薄片

3)对薄片进行U-cut,将薄片底部和一侧完全切断

4)缓慢移下纳米机械手,轻轻接触薄片悬空的一端后,沉积pt将薄片和纳米机械手焊接牢固,然后切断薄片另一侧,缓慢升起纳米机械手即可提出薄片

5)移动样品台和纳米机械手,使薄片与铜网(放置TEM样品用)轻轻接触,然后沉积pt将薄片和铜网焊接牢固,将薄片和纳米机械手连接的一端切断,移开纳米机械手,转移完成

6)最后一步为减薄和清洗,先用大加速电压离子束将薄片减薄至150nm左右,再利用低电压离子束将其减薄至最终厚度(普通TEM样品<100nm,高分辨TEM样品50nm左右,球差TEM样品<50nm)

一种如图4a所示的MoS2场效应管,需要确定实际器件中MoS2的层数及栅极(Ag纳米线)和MoS2之间的距离。利用FIB-SEM可以准确的在MoS2场效应管的沟道位置,垂直于Ag纳米线方向,提出一个薄片,并对其进行减薄,制备成截面透射样。在TEM下即可得到MoS2的层数为14层(图4c), Ag纳米线和MoS2之间的距离为30nm(图4b)。

图5是一种锰酸锂材料的STEM像,该样品是由FIB-SEM制备,图中可以看到清晰的原子像。这表明FIB-SEM制备的该球差透射样非常薄并且有很少的损伤层。

FIB-SEM还可以进行微纳图形的加工。

图6a 是FIB-SEM在Au/SiO2上制备的光栅,光栅周期为150nm,光栅开口为75nm。

图6b 是利用FIB-SEM在Mo/石英上做的切仑科夫辐射源针尖,针尖曲率半径为17nm。

图6c 是在Au膜上加工的三维对称结构蜘蛛网。

图6d 是FIB-SEM在硅上刻蚀的贺新年图案,图中最小细节尺寸仅有25nm。

FIB-SEM可以对材料进行切片式的形貌和成分三维重构,揭示材料的内部三维结构。大概过程如图7a所示, FIB切掉一定厚度的样品,SEM拍一张照片,重复此过程,连续拍上百张照片,然后将上百张切片照片重构出三维形貌。图7b是一种多孔材料内部3×5×2um范围的三维重构结果,其实验数据是利用FIB-SEM采集,三维重构是利用Avizo软件得到,其分辩率可达纳米级,展示了内部孔隙的三维空间分布,并可以计算出孔隙的半径大小、体积及曲率等参数。

利用FIB-SEM配有的纳米机械手及配合使用离子束沉积Pt,可以实现微米材料的转移,即把某种材料从一个位置(衬底)转移到特定位置(衬底),并固定牢固。图8是把四针氧化锌微米线从硅片转移到两电极的沟道之间,从而制备成两个微米线间距只有1um的特殊器件。

最后,FIB-SEM还有很多其他的应用,例如三维原子探针样品制备,芯片线路修改等。总之FIB-SEM是材料研究中一个非常重要的手段。

不积珪步,无以至千里;不积细流,无以成江海。做好每一份工作,都需要坚持不懈的学习。

部门 岗位 岗位说明

工程管理

事务职 班长 管理操作工;提高设备生产效率;工程师与操作工之间沟通及命令下达

Eng'r 操作文件的提高说明;减少和解决生产中的事故与问题;改良产品质量,提高良率

工程管理 Opr Operator 操作检查和分析的机器;提高设备的生产效率;报告生产中的事故和问题

工程技术 DIFF Eng'r 估算生产能力;确立/计算投资成本;产品选择/产品评估/质量提高;提高质量指标及生产效率;减少/防止工程事故/工程问题

工程技术 Etch Eng'r 制造半导体工程中Process Set-up;管理装备;提高工程质量;降低成本;提高生产率

工程技术 Photo Eng'r 生产线监控,提高产能,提高良率,编写Scanner, Track, Overlay,CD-SEM的Job File,提高光刻工艺宽容度,解决工艺问题

Tech 管理光刻reticle和光刻胶,向装备输入程序recipe,解决简单工艺问题

工程技术C&C Eng'r 对产品问题和缺陷进行分析,找到产生缺陷原因,并决定消除缺陷和改善产品质量应该采取的措施,以提高产品良率。

工程技术T/F Eng'r 制作产品说明和规格文档;提高工程质量,最优化工程以提高产量

人事 社规管理/福利厚生 为了有效运营人力资源,制定各项制度及改善,并支援福利

人事评价/职务/晋升 员工的人事评价(业绩,能力评价),实施定期晋升, 职责任命

劳务管理/奖惩/苦衷 劳资情报的收集/维护劳资双方的平衡,监督职的任命, 奖励/惩戒的有效运营,提高员工的工作积极性及强化员工的基本遵守

ER Manager 中方人员的人事管理总负责 (劳务管理,奖励,惩戒,评价,出勤,工资等)

教育/评价管理 负责员工入门、技术、在职培训及其他预言培训,树立每年培训计划及预算及进行等

自动化 Eng'r Eng'r Infra System, 软件应用和AMHS系统的开发与性能分析

自动化 Tech Tech Infra System, 软件应用和AMHS系统的维护

装备技术 DIFF Tech TPM活动;提高设备的工作速度;设备安装及重置;贯彻执行FDC以及自动化生产操作体系

Eng'r 确立/计算投资成本;设备安装及重置;提高设备的工作速度;最大化设备的性能和效率

装备技术 Photo Eng'r 管理并维护装备良好状态,管理Spare Part,PM计划安排,编写PM Sheet及技术规范,联系设备制造商并参加trouble分析会议,排除装备故障

Tech 执行周期性PM,常规装备故障排除,更换Spare Part,记录PM sheet

装备技术C&C 技能职 需要掌握设备组装和拆卸技能,维护设备正常运行,解除设备故障,提高产品良率

Eng'r 及时发现设备故障原因并找到解除故障方法,维护及改造设备提高其性能,提高产品良率

装备技术Etch 技能职 保养及预防活动;新旧设备的安装,设置;装备性能的提升和改善

装备技术T/F Tech 排除故障;提高机器可运作时间

Eng'r 提高工具可运作时间;降低制造成本;维护改造设备以提高其性能

制造 班长 女性,倒班,有半导体工作经验1年以上,最好是前道工艺,如光刻(Photo、黄光)、干湿腐蚀(Etch、蚀刻)、扩散(Diffusion)、注入(IMP)、CVD,PVD(溅射)、CMP等,有班组长经验者优先。负责带班管理区域内操作员工,完成生产任务。

教育担当 女性,有半导体工作经验1年以上,最好是前道工艺,如光刻(Photo、黄光)、干湿腐蚀(Etch、蚀刻)、扩散(Diffusion)、注入(IMP)、CVD,PVD(溅射)、CMP等,有班组长经验者,有多种操作证者优先,有半导体作业教育经验者、懂韩语者优先,能够倒班。负责新进作业员的教育培训和作业员的技能训练的计划、组织和实施。

资材及HOT 资材,正常班,男女不限,熟悉半导体前道生产用小工夹具,能吃苦,懂英语或韩语,负责净化间内生产用工夹具,防尘服等管理;HOT ,女,倒班,跟踪优先批流通并保证进度完成,熟练使用EXCEL软件。

Operator 女性,倒班,能吃苦,懂简单的英语和计算机知识,有半导体工作经验者优先,最好是前道工艺,如光刻(Photo、黄光)、干湿腐蚀(Etch、蚀刻)、扩散(Diffusion)、注入(IMP)、CVD,PVD(溅射)、CMP等。负责操作机器,服从分派,完成生产任务。

Part长/先任班长 Part长:正常班,有5英寸以上半导体前道工艺工作经验5年以上,有生产主管工作经验或同等管理经验。熟练使用英语,和办公软件,负责区域内各班次生产管理,管理Supervisor和shift leader;shift leader :倒班,负责整条生产线的生产平衡和调配管理,管理supervisorSupervisor:,倒班,有半导体工作经验2年以上,最好是前道工艺,如光刻(Photo、黄光)、干湿腐蚀(Etch、蚀刻)、扩散(Diffusion)、注入(IMP)、CVD,PVD(溅射)、CMP等,有班组长经验者优先,负责管理各区域内生产事项,管理班长。

Technician 日常监控、确认,dummy wafer管理,日常小故障的处理

制造企划 事务职 制造企划投资管理

采购 部品采购 设备零件需给及维修

原材料采购 原材管理安定化(交货期管理及请购)

设施采购 辅资材需给及实物管理

总务 福利厚生(食堂) 餐厅管理

接待担当 来访人员的行程管理、及计划管理

接待担当者 来访人员具体接待工作的实施

通信/广播担当者 通信交换机服务器,VOICEMAIL, PAGING STSTEM (软硬件)维护,广播系统,专业英语流利(听说读写),管理通信Maint,通信Operator和广播Maint,会管理及评估通信工程.

通信Maint 通信线路维护、检修及正常运行

通信Ope'r 接线员,内外电话查询、转接等

设施维护 厂房基础设施(地板、照明、水、等)的日常维护及保养

Show-room担当 展厅的管理,及公司介绍

舍监 宿舍管理

设备Eng'r 空调Part 要求工厂空调设备运维经验(冰水主机Chiller,中央空气处理系统,热锅炉,泵,风机等) 优先: 净化间设备运维( 超净间空气处理单元,洗气塔,过程冷却用水,超纯水)

排管/UT Part 工厂排管设备施工(水系统,压缩气体系统,超纯水系统)

电气Part 通过厂内电气设备的运行管理及维护活动 以及新增,补加电气设备施工计划的实施,维持电力供应的稳定性,支援生产活动的圆满成功

设备Tech 空调Part 机械装备的点检及维护.有机械设备的相关知识及经验.

排管/UT Part 热输送网的点检及维护.有配管设备的相关知识及经验.

电气Part 进行电气机器的点检,配电机,电气控制,装备的运行,电气设备的安装,调整,修理 .有电气的知识

财务会计 成本 成本核算、成本分析、熟悉ERP系统

会计总体业务 提供公司各种报表及数据,并定期提出相关分析报告

国税/地税 税务及出口退税流程、纳税申报及其相关的会计核算、和税务相关部门联系

财务 应收/应付/固定资产 相关业务

资材 化学品管理 原材管理安定化 (交货期管理及请购)

SPARE PART 设备零件需给及维修

副材料管理 辅资材需给及实物管理

进出口通关 原材料通关 及时、无障碍得完成料件的清关,确保资财的库存量

设施再通关 Managing the whole progress involved with Local flow of Imported &Exported Goods;1. Clear the imported goods through the customs and CIQ 2. Prearrangement for Import and export

ESH 保健 职员健康检查, 职业病预防.管理, 运营附属医院, 作业环境检测/改善管理, 促进健康活动,

安全消防 气体安全管理, 有害危险器材管理, QUAL/安全改善活动, CMS室/建立急救应急小组, 消防设施.危险品管理, MSDS管理, 消防/安全施工管理/监督,灾害调查/统计分析

ESH企划 ESH 确立战略, ESH 运行经营系统, ESH 教育/公关业务, ESH 投资/预算管理,部门人力企画/管理,法定许可证总括

ESH技术 净 · 废水厂的施工管理/监督,危险物/节约用水,预防环境事故,废弃物的管理,大气污染源管理/改善活动,毒性/土壤/噪音管理,环境范围许可证

IT 程序开发 GW/EMAIL的日常维护管理

OA 运营/PC 保安 PC/Printer/NB等电算设备日常维护及PC保安管理

SAP 开发 SAP二次开发

SAP 运营 SAP维护管理

System 运营 Server维护管理

MI 事务职 班长 监测设备的温度、压力等状况,属于操作工的一种.

MI Eng'r Engineer 检测工艺生产过程的颗粒、缺陷;测量厚度,电阻和应力等; 分析工艺上产生该问题的原因; 采取措施及时弥补并解决问题。

Technician 采取措施来维护装备性能对设备的精确性和可靠性进行维护。

QC Supervisor 1.支持协助质量工程师执行质量程序和政策 2.报告FAB的质量状况 3.鉴别检查的缺陷并在质量报告中做出指示算机操作能力,懂英语或韩语 4.收集缺陷样品并向相关部门报告 5.协助质量经理监管质量操作工 6.要有良好的沟通能力和计

Operator 职责:1.负责产品检验和完成质量纪录 2. 收集和保存质量检测数据 3.维护及控制在线的所有检验文件及纪录

要求:1. 由显微镜操作经验 2. 有产品检验工作经验 3. 有净化室工作经验者尤佳

企划 企划 整体协调公司各部门业务,处理跨部门协作综合事项;制定公司经营计划。

对外关系 与政府机关部门建立并维持良好关系,争取政府机关对公司的各方面协作与支持。

法务 组织各部门合同审查,收集并转交专业意见;公司合同整理归档、保管。

宣传 收集新闻,部门采访,设计并制作公司社刊,对外宣传。

湿法腐蚀的过程中,通过使用特定的熔液与需要腐蚀的薄膜材料进行化学反应,进而除去没有被光刻胶覆盖区域的薄膜。

湿法腐蚀的优点是工艺简单,但是在湿法腐蚀中所进行的化学反应没有特定方向,所以会形成各向同性的腐蚀效果。各向同性是湿法腐蚀固有的特点,也可以说是湿法腐蚀的缺点。湿法腐蚀通常还会使位于光刻胶边缘下边的薄膜也被腐蚀,这也会使腐蚀后的线条宽度难以控制,选择合适的腐蚀速度,可以减小对光刻胶边缘下边薄膜的腐蚀。

在进行湿法腐蚀的过程中,熔液里的反应剂与被腐蚀薄膜的表面分子发生化学反应,生成各种反应产物。这些反应产物应该是气体,或者是能溶于腐蚀液中的物质。这样,这些反应产物就不会再沉积到被腐蚀的薄膜上。控制湿法腐蚀的主要参数包括:腐蚀溶液的浓度、腐蚀的时间、反应温度以及溶液的搅拌方式等。由于湿法腐蚀是通过化学反应实现的,所以腐蚀液的浓度越高,或者反应温度越高,薄膜被腐蚀的速率也就越快。此外,湿法腐蚀跌反应通常会伴有放热和放气。反应放热会造成局部反应温度的升高,使反应速度加快;反应速率加快又会加剧反应放热,使腐蚀反应处于不受控制的恶性循环中,其结果将导致腐蚀的图形不能满足要求。反应放气产生的气泡会隔绝局部的薄膜与腐蚀的接触,造成局部的反应停止,形成局部的缺陷。因此,在湿法腐蚀中需要进行搅拌。此外,适当的搅拌(例如使用超声波震荡),还可以在一定程度上减轻对光刻胶下方薄膜的腐蚀。

目前常用的湿法腐蚀的材料包括:Si,SiO2和Si2N4等,下面我们将对此进行简要讨论。

一、Si的湿法腐蚀

在湿法腐蚀Si的各种方法中,大多数都是采用强氧化剂对Si进行氧化,然后利用HF酸与SiO2反应来去除SiO2,从而达到对硅的腐蚀目的。最常用的腐蚀溶剂是硝酸与氢氟酸和水(或醋酸)的混合液,化学反应方程式为

Si+HNO3+6HF——H2SiF4+HNO2+H2O+H2

其中,反应生成的H2SiF4可溶于水。在腐蚀液中,水是作为稀释剂,但最好用醋酸(CH3COOH),因为醋酸可以抑制硝酸的分解,从而使硝酸的浓度维持在较高的水平。对于HF-HNO3混合的腐蚀液,当HF的浓度高而HNO3的浓度低时,Si膜腐蚀的速率由HNO3浓度决定(即Si的腐蚀速率基本上与HF浓度无关),因为这时有足量的HF去溶解反应中生成的SiO2.当HF的浓度低而HNO3浓度高时,Si腐蚀的速率取决于HF的浓度(即取决于HF溶解反应生成的SiO2的能力)。

对Si的湿法腐蚀还可以用KOH的水溶液与异丙醇(IPA)相混合来进行。对于金刚石或闪锌矿结构,(111)面的原子比(100)面排的更密,因而(111)面的腐蚀速度应该比(100)面的腐蚀速率小。 采用SiO2层作为掩膜对(100)晶向的硅表面进行腐蚀,可以得到V形的沟槽结构。如果SiO2上的图形窗口足够大,或者腐蚀的时间比较短,可以形成U形的沟槽。如果被腐蚀的是(110)晶向的硅片,则会形成基本为直壁的沟槽,沟槽的侧壁为(111)面。这样就可以利用腐蚀速率对晶体取向的依赖关系制得尺寸为亚微米的器件结构。不过,这种湿法腐蚀的方法大多采用在微机械元件的制造上,在传统的集成电路工艺中并不多见。

二、SiO2的湿法腐蚀

SiO2的湿法腐蚀可以使用氢氟酸(HF)作为腐蚀剂,其反应方程式为:

SiO2+6HF——SiF4+2H2O+H2

在上述的反应过程中,HF不断被消耗,因此反应速率随时间的增加而降低。为了避免这种现象的发生,通常在腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂(形成的腐蚀液称为BHF)。氟化氨分解反应产生HF,从而维持HF的浓度。NH4F分解反应方程式为

NH4F——NH3+HF

分解反应产生的NH3以气态被排除掉。

在集成电路工艺中,除了需要对热氧化和CVD等方式得到的SiO2进行腐蚀外,还需要对磷硅玻璃(简称PSG)和硼磷硅玻璃(简称BPSG)等进行腐蚀。因为这些二氧化硅层的组成成分并不完全相同,所以HF对这些SiO2的腐蚀速率也就不完全一样。基本上以热氧化方式生成的二氧化硅层的腐蚀速率最慢。

三、Si3N4的湿法腐蚀

Si3N4也是一种常用湿法腐蚀的材料。Si3N4可以使用加热的磷酸(130-150度的H3PO4)来进行腐蚀。磷酸对Si3N4的腐蚀速率通常大于对SiO2的腐蚀速率。


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