[發明專利]深冷溫度下的束誘導沉積

有效

• 申請號: 201110180929.3
• 申請日: 2011-06-30
• 公開（公告）號: CN102312224A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: J.J.L.穆爾德斯;P.H.F.特羅姆佩納爾斯
• 申請（專利權）人: FEI公司
• 主分類號: C23C16/48
• 分類號: C23C16/48
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 孟慧嵐;艾尼瓦爾

技術領域

本發明涉及電子和離子束誘導沉積，更具體涉及深冷溫度下的束誘導沉積。

背景技術

在現有技術中，已知通過電子束誘導沉積(EBID)和離子束誘導沉積(IBID)來將材料沉積到底材上。根據已知的方法，底材被放置在荷電粒子束設備——典型的是電子束(E-束)系統或聚焦離子束(FIB)系統——的可抽真空樣品室中。將荷電粒子(或其它)束在常稱做前體氣體的沉積氣體存在下施加到底材表面。一層前體氣體吸附到工件表面。該層的厚度受底材表面上氣體分子的吸附和解吸之間平衡的控制，這又取決于例如氣體分壓(決定每秒鐘有多少分子被吸附)和粘著系數(描述分子被吸附到表面上平均多久)。所得層一般形成少于1至數層單原子層。

當荷電粒子束輻照帶有被吸附前體氣體層的底材時，從底材發射出次級電子。這些次級電子造成被吸附前體氣體分子的解離。部分解離的前體材料在底材表面上形成沉積物，而其余的前體氣體粒子則形成揮發性副產物并被設備的真空系統泵走。

在很多應用中都使用束誘導沉積來將材料沉積到底材(如半導體芯片或磁存儲介質)的目標表面上。沉積材料的原因很多，如形成圖案化薄膜表面，用于半導體特征表征和分析的防護涂層，或將小樣品，如TEM樣品，“焊接”到操縱器或樣品支持器(如下文更詳細地描述)上。可以使用氣體、底材和束型的諸多組合來實現多種沉積方案。擬被沉積的特定材料通常將取決于應用、底下的目標表面及材料與目標表面如何反應。類似地，可以使用多種束型來產生次級電子。它們包括離子、電子和激光束。

已知束誘導沉積法的缺點在于它們在深冷溫度(低于-50℃，更具體地，低于-130℃)下效果不好。許多應用，包括制備生物材料的TEM樣品，要求樣品被冷卻到深冷溫度。例如，為了在TEM樣品室的低壓環境中保持生物樣品的結構完整性，常使樣品玻璃化，以免脫水。玻璃化涉及非常快速冷卻樣品以使樣品內的水分子不結晶，而停留在幾乎不或不損傷樣品結構的無定形或玻璃化狀態的方法。玻璃冰也是無特征的，且不形成毀壞的冰晶體。玻璃化樣品的低溫還可減少觀察期間由束電子造成的損傷，從而允許在較高束流下更多或更長暴光，以得到更好質量的圖像。為保持生物樣品處于其玻璃化狀態，溫度必須保持在-130℃(所謂的玻璃化溫度)以下，如果溫度升到該水平以上，晶體就從無定形變為結晶冰，這會破壞細胞或組織中的生物信息。

在深冷溫度下，普通的EBID/IBID法行不通。當例如在底材表面上吸附至多2個分子單層時，不是達到平衡，而是前體氣體分子凍結在底材表面上并留在那里(即粘著系數接近于1或延遲時間趨向于????????????????????????????????????????????????)。由此造成增厚的氣體分子凍結層，覆蓋在表面上，導致荷電粒子束難以使前體分子離解，并阻礙任何沉積材料粘結在底材表面上，因而在用來將樣品附著到操縱器或支持器時，就形成不可靠的粘結。此外，在這些低溫下，典型的“揮發性副產物”也凍結到表面上，并且可能也會干擾粘結的形成。而且，當樣品在隨后被帶到副產物的熔點、升華點或沸點以上的溫度時，副產物的突然揮發可能導致破壞所要的結構。其結果，將難以或不可能在樣品上形成圖案化的薄膜表面。

Bozso等在“電子激發誘導表面化學和電子束輔助化學氣相沉積(Electronic?Excitation-Induced?Surface?Chemistry?and?Electron-Beam-Assisted?Chemical?Vapor?Deposition)”，Mat,Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.158,pp.201-209(1990)中描述了在約100?K(-173℃)的溫度下，使用低能EBID，在硅底材上沉積硅、氮化硅、氧化硅和氮氧化硅膜的方法。但是，Bozso的沉積法被用來分離由來自熱所造成的電子所引起的離解反應，以更精確地控制空間生長和材料組成。因此，Bozso描述了調節樣品溫度以實現所期望的沉積。這對于制備生物材料的TEM樣品是不實用的，因為樣品必須被保持在玻璃化溫度以下以避免損傷生物樣品。另外，Bozso所述的方法限于在硅上沉積硅、氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。使用硅底材在使分子反應的吸附和表面化學中起主要作用。為制備生物材料的TEM樣品，希望沉積方法在生物底材和冰上工作并能沉積非硅基材料，如碳。最后，Bozso所述的方法教導，為保持空間和動力學控制兩者，要使用低能電子束激發(～200?eV)來誘導沉積。因此對于樣品焊接或甚至形成較厚/較大的保護層來說，材料沉積速率是不實用的。