聚焦离子束FIB详细介绍

时间：2020-04-01

聚焦离子束FIB详解

1.引言

    随着纳米科技的发展，纳米尺度制造业发展*，而纳米加工就是纳米制造业的核心部分，纳米加工的代表性方法就是聚焦离子束。近年来发展起来的聚焦离子束（FIB）技术利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工，配合扫描电镜（SEM）等高倍数电子显微镜实时观察，成为了纳米级分析、制造的主要方法。目前已广泛应用于半导体集成电路修改、切割和故障分析等。

 

2.工作原理

     聚焦离子束(ed 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切割仪器，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；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场于液相金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的，结构示意图如下图：

 

3.应用

    聚焦离子束系统除了具有电子成像功能外，由于离子具有较大的质量，经过加速聚焦后还可对材料和器件进行蚀刻、沉积、离子注入等加工。

 

3.1 离子束成像

    聚焦离子束轰击样品表面，激发二次电子、中性原子、二次离子和光子等，收集这些信号，经处理显示样品的表面形貌。目前聚焦离子束系统成像分辨率已达到5nm，比扫描电镜稍低，但成像具有更真实反映材料表层详细形貌的优点。

 

3.2 离子束蚀刻

    高能聚焦离子束轰击样品时，其动能会传递给样品中的原子分子，产生溅射效应，从而达到不断蚀刻，即切割样品的效果。其切割定位精度能达到5nm级别，具有**高的切割精度。

 

　　使用高能了离子束将不活泼的卤化物气体分子变为活性原子、离子和自由基，这些活性基团与样品材料发生化学反应后的产物是挥发性，当脱离样品表面时立刻被真空系统抽走。这些腐蚀气体本身不与样品材料发生作用，由由离子束将其离解后，才具有活性，这样便可以对样品表面实施选择性蚀刻。在集成电路修改方面有着重要应用。

 

3.3 离子束沉积薄膜

    利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料和非金属材料。通过气体注入系统将一些金属**物气体喷涂在样品上需要沉积的区域，当离子束聚焦在该区域时，离子束能量使**物发生分解，分解后的金属固体成分被沉积下来，而挥发性**物成分被真空系统抽走。

 

3.4 离子注入

    聚焦离子束的一个重要应用时可以无掩模注入离子。掩模注入是半导体领域的一项基本操作技术，利用聚焦离子束技术的精确定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半导体材料和器件上特定的点或者区域进行离子注入，精确控制注入的深度和广度。

 

3.5 透射电镜样品制备

    透射电镜的样品限制条件是透射电镜应用的一大难题，通常透射电镜的样品厚度需控制在0.1微米以下。传统方法是通过手工研磨和离子溅射减薄来制样，不但费时而且还无法精确定位。聚焦离子束在制作透射电镜样品时，不但能精确定位，还能做到不污染和损伤样品。

 

　　4.聚焦离子束的发展

     聚焦离子束现已发展成与SEM等设备联用。FIB-SEM双系统可以在高分辨率扫描电镜显微图像监控下发挥聚焦离子束的**微细加工能力。

在FIB-SEM双束系统中，聚焦离子束和电子束优势互补。离子束成型衬度大，但存在损伤样品和分辨率低的缺点，电子束激发的二次电子成像分辨率高、对样品损伤小，但衬度较低，两者组合可获得更清晰准确的样品表面信息。

 

5.小结

    本文简单介绍了聚焦离子束（FIB）的基本原理、结构和应用。它的精确定位、显微观察和精细加工能力在电子领域有着重要应用。目前5nm的加工精度、无污染和不损伤样品在样品加工方面存在这巨大优势，是其他样品制备设备无法达到的水平。

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