第四章聚焦离子束技术（FIB）本章主要内容4.1 FIB系统介绍41FIB4.2 FIB-SEM构造及工作原理4.3 离子束与材料的相互作用4.4 FIB主要功能及应用参考书：顾文琪等，聚焦离子束微纳加工技术，北京工业大学出版社，2006。

参考书：顾文琪等聚焦离子束微纳加工技术北京工业大学出版社2006。

41FIB 4.1 FIB系统介绍 (Focused Ion beam FIB)聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪器。

通过荷能离子轰击材料表面实现材料的剥离沉积轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入和改性。

目前商用系统的离子束为液相金属离子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力。

即离子束+Zeiss Auriga FIB Zeiss Auriga FIB--SEM system 现代先进FIB 系统为双束，即离子束+ 电子束（FIB+SEM ）的系统。

在SEM微观成像实时观察下，用离子束进行微加工g y加工。

FIB技术发展史FIB加工系统的发展与点离子源的开发密切相关系展1950s：Mueller发明气体场发射离子源（GFIS）；1970s：GFIS应用到聚焦离子显微镜（FIM）；1974-75：J. Orloff 和L.W.Swanson分别将GFIS应用于FIB。

此时的(p)GFIS束流低(10pA),分辨率约50纳米；1974：美国Argonne国家实验室的V.E.Krohn 和G.R.Ringo发现在电场作用下毛细管管口的液态镓变形为锥形，并发射出Ga+离子束；1978：美国加州休斯研究所的R.L.Seliger等人建立了第一台Ga+液态金属离子源的FIB系统，束斑直径100nm，束流密度1.5A/cm2，亮度达623.3x10A/（cm.sr），束能量57keV；1980s：商品型FIB投入市场，成为新器件研制、微区分析、MEMS制作的重要手段；1980s-90s：开发出SEM-FIB双束、FIB多束、全真空FIB联机系统。

FIB系统分类按用途：按用途FIB曝光系统按离子能量：高能FIB系统（<100keV）中能FIB系统（10100keV）按结构组成：单束单光柱FIB系统FIB注入系统FIB刻蚀系统中能FIB系统（10-100keV）低能FIB系统（<10keV）双束单光柱FIB系统双束双光柱FIB系统FIB沉积系统FIB电路、掩模修整系统多束多光柱FIB系统全真空FIB联机系统SIM成像分析系统4.2 FIB-SEM构造及工作原理42FIB SEM构造FIB Column离子源离子源是聚焦离子束系统的心脏依据发由于镓元素具有低熔点低离子源是聚焦离子束系统的心脏，依据发展过程分为：双等离子体离子源由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金 液态金属离子源气态场发射离子源属材料多为镓（Ga）真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点使之成为目前所有聚焦离源尺寸等系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。

液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源。

液态金属离子源的基本结构如图所示。

已有用Ga ，In ，Al 等金属作为发射材料的单质液态离子源，也有包含高熔点的Be ，B ，Si 高液态蒸汽压的P ，Zn ，As 等掺杂元素的共晶合金液态离子源。

工作原理在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属形成细小尖端再加上负电场（细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属，从而导出离子束。

然后通过静电透镜聚焦，经过连串 然后通过静电透镜聚焦经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，A V A）可决定离子束的大小，p而后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描。

离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。

4.3 离子束与材料的相互作用43聚焦离子束产生的正性聚焦离子束具有5-150keV的能量，其束斑直径为几纳米到几微米，束流为几皮安到几十纳安。

这样的离为几皮安到几十纳安这样的子束入射到固体材料表面时，离子与固体材料的原子核和电子相互作用，可产生各种物理化学现互作用可产生各种物理化学现象。

（1）入射离子注入。

（1）入射离子注入入射离子在与材料中的电子和原子的不断碰撞中，逐渐丧失能量并被固体材料中的电子所中和，最后镶嵌到固体材料中。

镶嵌到固体材料中的原子改变了固体材料的性质，这种现象叫注入（2）入射离子引起的反弹注入。

入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层原子，是后者进入表层或表面或表层原子是后者进入表层或表层深处。

（3）入射离子背散射。

入射离子通过与固体材料中的原子发生弹性碰撞，被反射出来，称作背散射离子。

某些离子也可能经历定散射离子。

某些离子也可能经历一定的能量损失。

（4）二次离子发射。

在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发射出来，这些二子或负离子的形式发射出来，这些次离子可直接引入质谱仪，对被轰击表面成分进行分析。

（5）二次电子、光子发射。

入射离子轰击固体材料表面，与表面层的原子发生非弹性碰撞，入射离的发生非射离子的一部分能量转移到被撞原子上，产生二次电子、X射线等，同时材料中的原子被激发、电离产生可见光、中的原子被激发电离产生可见光紫外光、红外光等。

（6）材料溅射。

（6）材料溅射在入射离子在与固体材料中原子发生碰撞时，将能量传递给固体材料中的原子，如果传递的能量足以使原子的原子如果传递的能量足以使原子从固体材料表面分离出去，该原子就被弹射出材料表面，形成中性原子溅射。

被溅射还有分子、分子碎片、分射被溅射还有分子分子碎片分子团。

（7）辐射损伤。

指入射离子轰击表层材料造成的材料晶格损失或晶态转化。

（8）化学变化（8）化学变化。

由于入射离子与固体材料中的原子核和电子的作用，造成材料组分变化或化学键变化。

离子曝光就是利用了这种化学变化。

（9）材料加热。

（9）材料加热具有高能量的离子轰击固体表面使材料加热，热量自离子入射点向周围扩散。

扩散离子束、电子束与材料的相互作用比较离子束电子束与材料的相互作用比较入射电子轰击样品产生的物理信号思考问题？请总结1.4 聚焦离子束的主要功能及应用14聚焦离子束的主要功能及应用（1）离子注入：入射离子在与材料中的电子和原子的不断碰撞中逐渐丧失能量，并与材料中的电子结合形成原子，镶嵌到固体材料中，从而改变固体材料的性能。

主要应用于半导体器件的掺杂和材料的改性。

能主要应用于半导体器件的掺杂和材料的改性FIB离子注入优缺点：☺无需掩模和感光胶层，简化工艺，减少污染，提高器件的可靠性和成品率；☺对离子种类、电荷、能量等进行精确控制；☺FIB离子注入与分子束外延结合，可以实现三维掺杂结构器件制作；FIB离子注入生产率低；离子源长为合金源，稳定性差；离子注入系统结构复杂其运行和工FIB离子注入系统结构复杂，其运行和工艺操作相对难。

（2）离子溅射：聚焦离子束轰击材料表面，能够将固体材料的原子溅射出表面，是FIB 最重要的应用，应用于微细铣削和高精度表面刻蚀加工。

最重要的应用应用于微细铣削和高精度表面刻蚀加工FIB辅助气体刻蚀（GAE）在FIB溅射刻蚀区通入某些反应气体，如Cl2、I2、Br2、XeF2等，能提高溅射产额。

少量反应气体的注入可以改变靶材表面的束缚能，或者反应气体直面的束缚能或者反应气体接与靶材表面起化学反应。

此外，气体注入也减少再沉积。

集成电路器件剖面制作利用FIB 溅射刻蚀或辅助气体溅射刻蚀可以方便地制作集成电路的剖面，用来分析失效电路的设计错误或制造缺陷，分析电路制造中低成品率的原因，以及研究和改进对电路制造过程中的控制。

TEM试样制备铣削阶梯法：在观察区两侧铣削出两个方向相反的阶梯槽，中间留出极薄的TEM试样。

在工件上首先刻蚀出定位标记，然后用离子束扫描来，定位标记来确定铣削区域，可以是自动或手动完成。

TEM试样制备削薄法（H-bar）：首先用机械切割和研磨等方法将试样做到50-100微米的厚度，然后在试样上用FIB沉积一层Pt作为保护层，最后用FIB 将两侧的材料铣削掉。

TEM试样制备削薄法（H bar）：首先用机械切割和研磨等方法将试样做到50100微米的削薄法（H-bar）：首先用机械切割和研磨等方法将试样做到50-100微米的厚度，在试样上用FIB沉积一层Pt作为保护层，用FIB将两侧的材料铣削掉。

TEM试样制备LowkV FIB polishing TEM试样制备-LowkV FIB polishing其它样品及器件制备：FIB 能够铣削出几十nm 的微结构。

它在特征器件研制中能够发挥重要作用，如光电子器件、纳米生物器件、微传感器等。

三维原子探针样品扫描探针显微镜针尖氧化镁球的表面纳米结构材料截面样品（3）诱导沉积：诱导沉积在FIB入射区通入诱导气体，吸附在固体材料表面，入射离子束的轰击致使吸附气体分子分解将金属留在固体表面主要应用于集成电路分致使吸附气体分子分解，将金属留在固体表面。

主要应用于集成电路分析与修理，MEMS器件制作，诱导沉积举例：微电路微电子器件P i ill iliPt micro-pillars on silicon材料X 射线宏观织构测定材料现代分析方法Absolute 诱导沉积举例：Pressure Sensor(SiO2)（4）离子束曝光：用离子束将某些高分子有机化合物发生交联或降解，实现抗蚀剂曝光。

包括扫描离子束曝光掩模离子束曝光投影离子束曝光包括扫描离子束曝光，掩模离子束曝光，投影离子束曝光。

优点：离子束曝光与电子束相比的优缺点：缺点： 高图形分辨率曝光速度快对衬底材料的损伤 曝光速度有限制无邻近效应良好的曝光宽容度可实现无抗蚀剂直接曝光离子束曝光举例：掩模离子束曝光投影离子束曝光（5）二次离子成像：工作原理：离子光学柱将离子束聚焦到样品表偏转系统使离束在样表表面，偏转系统使离子束在样品表面做光栅式扫描，同时控制器作同步扫描。

电子信号检测器接收产生的二次电子或二次离子信号去调制显示器的亮度，在显示器上得到反映样品形貌的图像。

映样形貌的图像分辨率：主要取决于聚焦离子束的束斑直离子束束径和系统的S/N信噪比，分辨率低于SEM。

二次离子成像与电子成像相比，可以获得良好的对比度，而后者可以提供较高的分辨率。