[发明专利]深冷温度下的束诱导沉积

说明书

技术领域

本发明涉及电子和离子束诱导沉积，更具体涉及深冷温度下的束诱导沉积。

背景技术

在现有技术中，已知通过电子束诱导沉积(EBID)和离子束诱导沉积(IBID)来将材料沉积到底材上。根据已知的方法，底材被放置在荷电粒子束设备——典型的是电子束(E-束)系统或聚焦离子束(FIB)系统——的可抽真空样品室中。将荷电粒子(或其它)束在常称做前体气体的沉积气体存在下施加到底材表面。一层前体气体吸附到工件表面。该层的厚度受底材表面上气体分子的吸附和解吸之间平衡的控制，这又取决于例如气体分压(决定每秒钟有多少分子被吸附)和粘着系数(描述分子被吸附到表面上平均多久)。所得层一般形成少于1至数层单原子层。

当荷电粒子束辐照带有被吸附前体气体层的底材时，从底材发射出次级电子。这些次级电子造成被吸附前体气体分子的解离。部分解离的前体材料在底材表面上形成沉积物，而其余的前体气体粒子则形成挥发性副产物并被设备的真空系统泵走。

在很多应用中都使用束诱导沉积来将材料沉积到底材(如半导体芯片或磁存储介质)的目标表面上。沉积材料的原因很多，如形成图案化薄膜表面，用于半导体特征表征和分析的防护涂层，或将小样品，如TEM样品，“焊接”到操纵器或样品支持器(如下文更详细地描述)上。可以使用气体、底材和束型的诸多组合来实现多种沉积方案。拟被沉积的特定材料通常将取决于应用、底下的目标表面及材料与目标表面如何反应。类似地，可以使用多种束型来产生次级电子。它们包括离子、电子和激光束。

已知束诱导沉积法的缺点在于它们在深冷温度(低于-50℃，更具体地，低于-130℃)下效果不好。许多应用，包括制备生物材料的TEM样品，要求样品被冷却到深冷温度。例如，为了在TEM样品室的低压环境中保持生物样品的结构完整性，常使样品玻璃化，以免脱水。玻璃化涉及非常快速冷却样品以使样品内的水分子不结晶，而停留在几乎不或不损伤样品结构的无定形或玻璃化状态的方法。玻璃冰也是无特征的，且不形成毁坏的冰晶体。玻璃化样品的低温还可减少观察期间由束电子造成的损伤，从而允许在较高束流下更多或更长暴光，以得到更好质量的图像。为保持生物样品处于其玻璃化状态，温度必须保持在-130℃(所谓的玻璃化温度)以下，如果温度升到该水平以上，晶体就从无定形变为结晶冰，这会破坏细胞或组织中的生物信息。

在深冷温度下，普通的EBID/IBID法行不通。当例如在底材表面上吸附至多2个分子单层时，不是达到平衡，而是前体气体分子冻结在底材表面上并留在那里(即粘着系数接近于1或延迟时间趋向于                                                )。由此造成增厚的气体分子冻结层，覆盖在表面上，导致荷电粒子束难以使前体分子离解，并阻碍任何沉积材料粘结在底材表面上，因而在用来将样品附着到操纵器或支持器时，就形成不可靠的粘结。此外，在这些低温下，典型的“挥发性副产物”也冻结到表面上，并且可能也会干扰粘结的形成。而且，当样品在随后被带到副产物的熔点、升华点或沸点以上的温度时，副产物的突然挥发可能导致破坏所要的结构。其结果，将难以或不可能在样品上形成图案化的薄膜表面。

Bozso等在“电子激发诱导表面化学和电子束辅助化学气相沉积(Electronic Excitation-Induced Surface Chemistry and Electron-Beam-Assisted Chemical Vapor Deposition)”，Mat,Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.158,pp.201-209(1990)中描述了在约100 K(-173℃)的温度下，使用低能EBID，在硅底材上沉积硅、氮化硅、氧化硅和氮氧化硅膜的方法。但是，Bozso的沉积法被用来分离由来自热所造成的电子所引起的离解反应，以更精确地控制空间生长和材料组成。因此，Bozso描述了调节样品温度以实现所期望的沉积。这对于制备生物材料的TEM样品是不实用的，因为样品必须被保持在玻璃化温度以下以避免损伤生物样品。另外，Bozso所述的方法限于在硅上沉积硅、氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。使用硅底材在使分子反应的吸附和表面化学中起主要作用。为制备生物材料的TEM样品，希望沉积方法在生物底材和冰上工作并能沉积非硅基材料，如碳。最后，Bozso所述的方法教导，为保持空间和动力学控制两者，要使用低能电子束激发(～200 eV)来诱导沉积。因此对于样品焊接或甚至形成较厚/较大的保护层来说，材料沉积速率是不实用的。