低能量離子束蝕刻制造技術

本發明專利技術涉及低能量粒子束蝕刻，在存在蝕刻輔助氣體的情況下使用低能量聚焦離子束來去除碳質材料。申請人已經發現，當FIB的射束能量被降低時，諸如O2的蝕刻輔助氣體大大增加了蝕刻速率。在一個例子中，使用具有從8keV到14keV的射束能量的Xe+等離子體FIB和作為蝕刻輔助氣體的O2所蝕刻的聚酰亞胺材料，在蝕刻速率上的增加相比于默認研磨速率可以接近30倍。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及聚酰亞胺或其他類似有機薄膜的聚焦離子束蝕刻，更具體地，涉及使用Xe+等離子體聚焦離子束來蝕刻聚酰亞胺。
技術介紹
現代集成電路(IC)由多層的導體和襯底材料(諸如絕緣體和半導體)組成。在IC中檢查和編輯電路或其他隱藏內部特征，需要導航到目標區域，并研磨穿過多層襯底材料中的一個或多個。通過減少設計調試階段期間所需的掩膜組的數量，電路編輯(CE)降低了IC的開發成本,并加速了總的上市時間(time-to-market)。大多數CE活動現今采用聚焦離子束(FIB)系統來執行，這通常被用于研磨掉襯底材料以暴露隱藏特征，并且還以高精度沉積材料。這些能力可以被用于切割和連接器件內的電路，以及創建用于電測試的探測點。應用包括驗證設計改變、調試和優化生產中的器件，以及原型制作新的器件，而無需昂貴和費時的掩模組制造。通常在FIB系統中的材料去除是通過使用相對大的離子的射束來物理濺射掉襯底材料而完成的。大多數的FIB系統使用由液態金屬離子源(LMIS)產生的鎵離子(Ga+)，因為這樣的源容易制造、在室溫下操作、并且是可靠的、壽命長的、且穩定的。此外，在FIB處理期間化學劑可以被引入到工件上，以有利地操縱選定材料的研磨速率。使用化學劑來增強或抑制FIB研磨速率一般被稱為“氣體輔助蝕刻”(GAE)。因為聚酰亞胺(PI)是IC封裝器件上的一種常見的包封材料，所以在電路編輯或故障分析期間，去除聚酰亞胺層的一部分通常是必要的。聚酰亞胺去除的一個常見方法是通過在有水蒸氣的情況下采用Ga+ FIB來蝕刻聚酰亞胺層。水充當蝕刻輔助氣體，且已知為將聚酰亞胺蝕刻速率增加至默認研磨速率(定義為在沒有蝕刻輔助氣體的情況下使用FIB的研磨速率)的5到10倍。將水蒸氣用作用于有機(含碳)化合物(諸如聚酰亞胺)的蝕刻輔助氣體在Russell等人的題為“用于水蒸氣增強的帶電粒子束加工的方法”、編號為5，958，799的美國專利申請(1999年9月28日)中被描述，其通過引用結合于本文。盡管Ga+ FIB已經是幾十年來被用在IC制造中的最常見類型的FIB，但使用惰性離子(諸如氙離子(Xe+))的等離子體FIB儀器相對于使用液態金屬離子源的傳統Ga+ FIB提供了多種顯著的優點。例如，等離子體FIB提供射束電流，該射束電流是傳統的基于鎵的FIB中所使用的射束電流的20至100倍，這導致了材料去除速率上的極大增加。而且，使用惰性離子的等離子體FIB不導致諸如由Ga+注入所引起的有問題的離子污染。使用等離子體FIB (諸如Xe+等離子體FIB)以用于在由聚酰亞胺或其他類似有機薄膜所包封的IC封裝器件上的電路編輯或故障分析的一個顯著的缺點是，當與Xe+等離子體FIB —起使用時，水蒸氣似乎不充當用于聚酰亞胺的蝕刻輔助氣體。盡管聚酰亞胺去除的其他原位外(ex-situ) (FIB真空室外面的)方法是已知的，包括激光器和等離子體蝕刻工具，但現有技術中沒有已知有效的用于Xe+ FIB工具的原位(in-situ)方法。因此，所需要的是使用Xe+等離子束更加快速和有效地原位蝕刻聚酰亞胺和其他有機薄膜的方法。
技術實現思路
本專利技術的優選實施例是針對碳質或其他有機材料的化學輔助離子束蝕刻的新方法。申請人:已經發現，當射束能量被降低時，含氧的氣體(諸如O2)開始起到非常有效的蝕刻輔助氣體的作用。例如，使用具有從8keV到14keV的射束能量的Xe+等離子體FIB和作為蝕刻輔助氣體的O2的實施例，可以在是聚酰亞胺的默認研磨速率接近30倍的速率下蝕刻聚酰亞胺。前述內容已經相當廣泛地概述了本專利技術的特征和技術優點，以便可以更好地理解本專利技術下面的詳細描述。本專利技術的附加特征和優點將在下文被描述。本領域技術人員應當理解，所披露的概念和具體實施例，可以容易地被用作修改或設計用于執行本專利技術相同目的的其他結構的基礎。本領域技·術人員還應該認識到，這樣的等效構造不偏離如所附權利要求書中所闡述的本專利技術的精神和范圍。附圖說明為了更透徹地理解本專利技術及其優點，現在對結合附圖所進行的下面的描述做出參考，其中: 圖1是圖示了具有包封聚酰亞胺層的典型IC封裝器件的一部分的示意圖。圖2是使用FIB的典型的氣體輔助蝕刻過程的示意性圖示。圖3是使用較高能量的Xe+等離子體離子束的聚酰亞胺蝕刻的顯微照片。圖4是在較高的加速電壓下使用Xe+等離子體FIB的氣體輔助蝕刻的示意性圖示。圖5是在較低的加速電壓下使用Xe+等離子體FIB的O2輔助蝕刻的示意性圖示。圖6是使用較低能量的Xe+等離子體離子束的聚酰亞胺蝕刻的FIB顯微照片。圖7是大面積聚酰亞胺去除的FIB顯微照片，其中聚酰亞胺的上層已被蝕刻掉以暴露兩個順序沉積的聚酰亞胺層之間的接口。圖8是在下聚酰亞胺層被蝕刻掉且底層氧化物層被暴露的情況下的圖7的大面積聚酰亞胺去除的FIB顯微照片。圖9是在本專利技術的實施例的聚酰亞胺蝕刻過程期間，吸附(階段)電流作為時間的函數的曲線圖。圖10是部分損壞的聚酰亞胺表面的低倍率FIB顯微照片。圖11示出了與圖10相同的聚酰亞胺薄膜的部分1001，其中矩形掃描框示出了要被執行的修復的位置。圖12示出圖示了圖10和11的損壞的聚酰亞胺薄膜的修復進展的FIB圖像的序列。附圖并非旨在按比例繪制。在附圖中，在各種圖中所圖示的每個相同或近乎相同的部件由同樣的數字所表示。為清楚起見，可能不是在每幅附圖中都對每個部件進行標記。具體實施方式本專利技術的優選實施例中針對一種使用Xe+等離子體FIB的聚酰亞胺去除的新方法。當在相對高的射束能量(>20keV)下被使用時，使用純氧氣(O2)作為蝕刻輔助氣體對PI的蝕刻速率就算有任何影響也不會太大。然而，申請人已經發現，當Xe+等離子體FIB的射束能量被降低時，O2開始起到非常有效的蝕刻輔助氣體的作用。根據本專利技術的優選實施例，取決于特定的聚酰亞胺合成物，使用具有從8keV到14keV的射束能量的Xe+等離子體FIB和作為蝕刻輔助氣體的O2，蝕刻速率中的增加可以相比于默認研磨速率接近其30倍。使用Ga+FIB的用于蝕刻聚酰亞胺(PI)薄膜的傳統方法是使用水蒸氣作為蝕刻輔助氣體。這種技術導致30keV的加速電壓(也被稱為射束能量)下的PI去除速率約為2Mm3/nC，盡管取決于正被去除的PI的確切類型，實際的去除速率將示出可觀的變化。如上所討論的，該去除速率通常比默認研磨速率(對于不具有蝕刻輔助氣體的FIB而言)快5倍到10倍。盡管Xe+等離子體FIB的使用相比更為傳統的Ga+ FIB具有多種優點，但在任何射束能量下使用Xe+等離子體FIB時，水蒸氣(H2O)的使用并不明顯增加PI的蝕刻速率。當在相對高的射束能量(>20keV)下使用時，使用純氧氣(O2)作為蝕刻輔助氣體對PI的蝕刻速率就算有任何影響也不會太大。然而，令人意外地，申請人已經發現，當Xe+等離子體FIB的射束能量被降低時，O2開始起到非常有效的蝕刻輔助氣體的作用。 正如下面更詳細地描述的，使用Xe+等離子體FIB的聚酰亞胺蝕刻的典型的默認研磨速率可能約為0.3MmVnC0在30keV的射束能量下，O2的添加對聚酰亞胺的蝕刻速率將有著很少的影響或沒有影響。然而，在射束能量被降低時，蝕刻速率上的改善在<16keV處開始被看到，其本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種對包括碳質材料的工件的化學增強離子束研磨的方法，所述方法包括：在工件表面處提供含氧蝕刻輔助氣體；以及，在存在蝕刻輔助氣體的情況下朝向碳質材料引導離子束來蝕刻該碳質材料，該離子束不具有足夠的能量來從包括氧氣的含氧的蝕刻輔助氣體與該碳質材料之間的反應形成鈍化層。

【技術特征摘要】
2012.01.31 US 61/593,281;2012.12.17 US 13/717,2721.一種對包括碳質材料的工件的化學增強離子束研磨的方法，所述方法包括: 在工件表面處提供含氧蝕刻輔助氣體；以及， 在存在蝕刻輔助氣體的情況下朝向碳質材料引導離子束來蝕刻該碳質材料，該離子束不具有足夠的能量來從包括氧氣的含氧的蝕刻輔助氣體與該碳質材料之間的反應形成鈍化層。2.如權利要求1所述的方法，其中朝向該碳質材料引導離子束包括引導具有小于16keV的離子束。3.如權利要求1或權利要求2所述的方法，其中朝向該碳質材料引導離子束包括引導具有小于IOkeV的離子束。4.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中朝向該碳質材料引導離子束包括引導氣離子的射束。5.如權利要求1所述的方法，其中朝向該碳質材料引導離子束包括朝向聚酰亞胺材料引導具有小于16keV的能量的氙離子的射束。6.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中朝向工件引導含氧的蝕刻輔助氣體包括朝向該工件弓丨導O2。7.一種對襯底的化學增強離子束研磨的方法，所述方法包括: 將襯底裝載到離子束系統中； 朝向工件提供蝕刻輔助氣體，該蝕刻輔助氣體包括氧化劑； 在存在蝕刻輔助氣體的情況下在工件處引導離子束，該離子束具有小于16keV的射束能量；以及 使用化學增強離子束研磨來去除材料。8.如權利要求7所述的方法，其中蝕刻輔助氣體包括O2氣體。9.如權利要求7所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：C呂埃，
申請(專利權)人：FEI公司，
類型：發明
國別省市：