聚焦离子束的纳米加工
CONTENTS
1 聚焦离子束的纳米加工技术 2 聚焦离子束系统的应用 3 FIB 纳米制造技术的应用
PART
01
基于聚焦离子束的纳米加工技术
聚焦离子束简介
聚焦离子束(focused ion beam, FIB)与聚焦 电子束从本质上讲是一样的，都是带电粒子经过电 磁场聚焦形成细束。但聚焦电子束不同于聚焦离子 束。区别在于它们的质量，最轻的离子为氢离子也 是电子质量的1 840倍。离子束不但可以像电子束 那样用来曝光，而且重质量的离子也可以直接将固 体表面的原子溅射剥离，因此聚焦离子束更广泛地 作为一种直接微纳米加工工具。
离子束的应用已经有近百年的历
史。自1910年Thomson建立了气体
放电型离子源后，离子束技术主要
应用于物质分析、同位素分离与材
料改性。由于早期的等离子体放电
式离子源均属于大面积离子源，很
难获得微细离子束。真正的聚焦离
子束始于液态金属离子源的出现。
1975年美国阿贡国家实验室开发出
液态金属离子源(LMIS)，1978年美
发射区域非常重要。N.A. Paraire采用聚焦离子束刻蚀
理就是用高能离子束将不活泼的辅助刻
多层膜的方法加工出了二维光子晶体，下图是二维光
蚀气体分子(如卤化物气体)变成活性原 子、离子和自由基，这些活性基团与样
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子晶体在同一区域的SEM像。M.Yoshida用聚焦离子束 技术在金属薄膜上刻蚀出线宽几十纳米的沟槽。这种
图a 铣削溅射
图b 显微成像
入射离子经过级联碰撞，能量损失 殆尽而停留在晶格之间，此现象被 称作离子注入，见图c
聚焦离子束不仅可以通过溅射来剥离 去除材料，而且可以实现材料在指定 位置的添加，即局部诱导沉积，见图d
图c 离子注入
图d 离子诱导沉积
聚焦离子束加工的特点
1 加工精度和表面质量高 离子 束加工是靠微观力效应，被加 工表面层不产生热量，不引起 机械力和损伤。离子束斑直径 可达1um以内，加工精度可达 nm级
聚焦离子束系统的组成及原理
聚焦离子束(Focused ion beam , FIB)系统主要由 离子发射源、离子光学系统、工作台、真空与控制系 统组成。
典型的聚焦离子束系统主要分为两级透镜系统，其 结构如图3所示。液态金属离子源产生的离子束，在 外加电场的作用下，形成一个极小的尖端，再加上负 电场牵引尖端的金属，从而导出离子束。首先，在通 过第一级光阑之后，离子束被第一级静电透镜聚焦， 初级八级偏转器用于调整离子束以减小像散。经过一 系列的可变化孔径，可灵活改变离子束束斑的大小。 其次，次级八极偏转器使离子束根据被定义的加工图 形进行扫描加工，通过消隐偏转器和消隐阻挡膜孔可 实现离子束的消隐。最后，通过第二级静电透镜，离 子束被聚焦到非常精细的束斑，分辨率可小至约10 nm。被聚焦的离子束轰击在样品表面，产生的二次 电子和离子被微通道板探测器(MCP)收集并成像。
4 控制性能好 易于实现自动化
应用范围广泛 可以选用不同
的离子束的束斑直径和能量密
5
度来达到不同的加工要求。其 应用范围可用图4表示
图4 聚焦离子束的应用范围
PART
02
聚焦离子束系统的应用
1 离子束刻蚀
聚焦离子束系统中用作离子源的金属元素(如稼)的原子量一般较 大，当荷能离子束轰击样品时，其能量会传递给样品中的原子(分 子)而发生溅射效应。用合适的离子束束流，可以对不同的材料实 施高速微区刻蚀，若再配以离子束扫描，则可以在样品材料上刻 蚀出不同的图形。这一特点的典型应用就是电路板失效检测、三 维纳米结构加工和透射电镜制样(TEM samplepreparation)。特别 是在透射电镜制样中，为了使电子能穿越样品，在制备样品时要 求其厚度非常薄，通常小于100nm传统的方法是研磨或离子束减 薄，这样会使样品制备的周期长，通常会因为过度剥离而导致制 样失败，成功率低。采用聚焦离子束技术为透射电镜制样，定位 精度高，可以通过电子束成像实时监测，省时省力，而且成功率 高。
2 加工材料广可对各种材料进行加 工。 对脆性、半导体、高分子等 材料均可加工。由于是在真空下 进行加工，故适于加工易氧化的 金属、合金和半导体材料等
加工方法多样 离子束加工可进
3 行去除、镀膜、注入等加工，利 用这些加工原理出现了多种多样 的具体方法，如成形、刻蚀、减 薄、曝光等，在集成电路制作子系统原理
聚焦离子束制加工
聚焦离子束加工是通过高能离子与材料原子间的相互碰撞完成的
在原子的级联碰撞过程中，如果受碰撞后 的表面原子其动量方向是离开表面，而且 能量又达到一定阀值时，就会引起表面粒 子出射，这种现象称为溅射去除，见图a
从表面逸出的各种粒子包括散射离子、二次 离子、二次电子、X射线及光子等，来自于 不同的物理过程，带有丰富的表面信息。其 中，激发的二次电子可以用来进行离子束显 微成像，见图b
国加州休斯研究所的R.L.Seliger等
人建立了第一台装有Ca离子LMIS的
FIB系统，其束斑直径仅为100nm(
目前已可获得只有5nm的束斑直径)
。电流密度为
。这给进行亚
微米加工器件的研究极大的鼓舞。
聚焦离子束的工作原理
离子束系统的“心脏”是离子源。 目前技术较成熟，应用较广泛的离子 源是LMIS，其源尺寸小、亮度高、发 射稳定可以进行微纳米加工。同时其 要求工作条件低(气压小于10-5Pa，可 在常温下工作)，能提供Al. As. Au. B. Be. Bi.Cu. Ca. Fe. In. P. Pb. Pd. Si. Sn及Zn等多种离子。山于Ca (镓)具有 低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化力 ，成为目前商用系统采用的离子源。 液态金属离子源(LMIS)结构有多种形 式，但大多数由发射尖钨丝、液态金 属贮存池组成，典型的LMIS结构示意 图如图1所示。
2 反应离子束刻蚀
为了提高离子束刻蚀的速率和离子
J. T aniguch等用聚焦离子束系统(FIB)的离子束辅
束刻蚀对不同材料的选择性，通常在刻
助刻蚀技术成功制备了单晶金刚石场发射针尖，聚焦
蚀过程中用气体注入系统(GIS)加入一
离子束辅助刻蚀技术对减小单晶金刚石场发射针尖的
定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其基本原