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聚焦离子束(FIB)技术先容

2015-03-13  

1.引言

     随着纳米科技的发展,纳米尺度制造业发展迅速,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.原理

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:

 

聚焦离子束 

 

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,具有超高的切割精度。

 

 

聚焦离子束 

 

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即被真空系统抽走。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有机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,离子束能量使有机物发生分解,分解后的金属固体成分被沉积下来,而挥发性有机物成分被真空系统抽走。

 

聚焦离子束 

 

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。

 

聚焦离子束 

 

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超微细加工能力。

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

本文简单先容了聚焦离子束(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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