聚焦离子束气体辅助刻蚀工艺机理与界面演化模拟方法研究

This project focuses on the theory and application of the evolving of complex micro/nano surfaces in gas assisted focused ion beam(FIB) etching. It investigates the principles of reaction, experiment work, process model and simulation method of the FIB etching process. In this study, An etch rate model based on the etching kinetics is proposed, which accounts for the local chemical reaction, physical sputtering as well as the nonlocal redeposition,secondary sputtering caused by backscattered ions. The etch rate model fully represents the behaviors of the etching process and delivers more realistic analysis of the etching kinetics. An evolutionary continuous cellular automaton(CCA) method has been considered to simulate the evolution of complex surface for gas assisted etching. By using the etch rate model, CCA can simulate the micro structures in etching process quantitatively. At the same time, the evolutionary algorithm in CCA model has the ability to calibrate the parameters of etch rate model by comparing the etching profile, experimental data and surface morphology with the simulation results automatically. An experimentally verified, multi-scale FIB etching simulation package will be developed for typical semi-conductor and metal material, which helps to understand the principles and optimization of process parameters of gas assisted FIB etching in fabrication of micro devices.

本项申请以面向复杂微纳结构加工的聚焦离子束离子气体辅助增强刻蚀工艺为研究对象，在聚焦离子束刻蚀的反应机理、实验分析、工艺模型和刻蚀界面演化的计算方法方面开展研究。建立气体辅助刻蚀区域的反应动力学方程，提出刻蚀速率模型。刻蚀速率综合离子作用区的物理溅射、辅助气体化学刻蚀和非离子束作用区域的再沉积、二次溅射通量，背散射效应，更接近于聚焦离子束加工的微观相互作用机理。在刻蚀界面演化计算中研究研究基于进化算法的三维连续元胞自动机方法，一方面结合理论模型，在微结构的几何因素作用下定量计算离子束刻蚀界面的形成过程，解决复杂结构面的加工工艺规划问题；另一方面根据实验数据、刻蚀轮廓及形貌变化，搜索匹配实验中难于测定的反应理论模型参数，实现工艺条件向理论模型的自动转换。最后，在典型半导体和金属材料上建立三维聚焦离子束增强刻蚀工艺模拟工具，进一步解释增强刻蚀机理，并在功能微器件制造中验证研究的有效性。

聚焦离子束溅射加工工艺是一项重要的微纳结构加工工艺。项目建立了聚焦离子束刻蚀反应动力学模型，解释了刻蚀及增强刻蚀界面演化和微观表面形貌形成过程的机理，从理论上提出了有效的方法，描述了聚焦离子束入射衬底微纳结构加工过程中的物理溅射、影响刻蚀侧壁形状和沟槽底部形貌的散射，再沉积物理过程。. 项目突破了工艺模型及计算效应计算关键技术，提出了基于PSO的三维元胞自动机及其参数优化方法，适用于多种FIB工艺条件。工艺模型不但能够表达加工过程的倾斜侧壁、深宽比依赖蚀刻、坑底形貌、诱导气体反应以及溅射的再沉积现象，而且可以优化聚焦离子束刻蚀中流束、驻留时间、扫描策略工艺参数。. 基于聚焦离子束与固体材料表面相互作用的理论建立了离子注入和离子溅射的分子动学模拟模型，研究Ga+入射硅不同晶面后基底的非晶体化过程，分析了溅射刻蚀形貌的形成，并对基底原子的轨迹和粒子分布进行统计分析。特别在高精度纳米结构加工的低能量、小束流工艺条件下，计算分析了硅(100)、硅(110)和硅(111)衬底在FIB溅射刻蚀中的宽深比、开口尺寸，沟槽底部宽度、以及溅射产额随时间的变化规律，明确了离子溅射刻蚀不同硅基底的晶面效应，提出了晶面效应的成因。. 在单晶硅和石英晶体不同晶面开展了FIB溅射刻蚀效应实验研究。获得了加工高精度纳米结构小束流低能量下的溅射轮廓的晶面相关性规律，从轮廓特征验证了分子动力学模型。其次针对影响刻蚀侧壁形状和沟槽底部形貌的溅射，再沉积效应，明确了不同束流、驻留时间、离子入射剂量、像素重叠率、扫描路径策略下的微结构特征参数。基于粒子群算法的三维元胞自动机计算模型能够利用基础实验结果优化工艺模型参数，体现出了较高的计算精度，最后针对复杂微结构的制备，验证了理论方法及工艺模型的有效性。