1、聚焦離子束的納米加工 薛迪1聚焦離子束的納米加工技術2聚焦離子束系統的應用3FIB 納米制造技術的應用CONTENTSPART基于聚焦離子束的納米加工技術基于聚焦離子束的納米加工技術01聚焦離子束簡介 聚焦離子束(focused ion beam, FIB)與聚焦電子束從本質上講是一樣的，都是帶電粒子經過電磁場聚焦形成細束。但聚焦電子束不同于聚焦離子束。區別在于它們的質量，最輕的離子為氫離子也是電子質量的1 840倍。離子束不但可以像電子束那樣用來曝光，而且重質量的離子也可以直接將固體表面的原子濺射剝離，因此聚焦離子束更廣泛地作為一種直接微納米加工工具。 離子束的應用已經有近百年的歷史。自19

2、10年Thomson建立了氣體放電型離子源后，離子束技術主要應用于物質分析、同位素分離與材料改性。由于早期的等離子體放電式離子源均屬于大面積離子源，很難獲得微細離子束。真正的聚焦離子束始于液態金屬離子源的出現。1975年美國阿貢國家實驗室開發出液態金屬離子源(LMIS)，1978年美國加州休斯研究所的R.L.Seliger等人建立了第一臺裝有Ca離子LMIS的FIB系統，其束斑直徑僅為100nm(目前已可獲得只有5nm的束斑直徑)。電流密度為 。這給進行亞微米加工器件的研究極大的鼓舞。 聚焦離子束的工作原理 離子束系統的“心臟”是離子源。目前技術較成熟，應用較廣泛的離子源是LMIS，其源尺寸小

3、、亮度高、發射穩定可以進行微納米加工。同時其要求工作條件低(氣壓小于10-5Pa，可在常溫下工作)，能提供Al. As. Au. B. Be. Bi.Cu. Ca. Fe. In. P. Pb. Pd. Si. Sn及Zn等多種離子。山于Ca (鎵)具有低熔點、低蒸氣壓及良好的抗氧化力，成為目前商用系統采用的離子源。液態金屬離子源(LMIS)結構有多種形式，但大多數由發射尖鎢絲、液態金屬貯存池組成，典型的LMIS結構示意圖如圖1所示。聚焦離子束系統的組成及原理 聚焦離子束(Focused ion beam , FIB)系統主要由離子發射源、離子光學系統、工作臺、真空與控制系統組成。 典型的聚焦

4、離子束系統主要分為兩級透鏡系統，其結構如圖3所示。液態金屬離子源產生的離子束，在外加電場的作用下，形成一個極小的尖端，再加上負電場牽引尖端的金屬，從而導出離子束。首先，在通過第一級光闌之后，離子束被第一級靜電透鏡聚焦，初級八級偏轉器用于調整離子束以減小像散。經過一系列的可變化孔徑，可靈活改變離子束束斑的大小。其次，次級八極偏轉器使離子束根據被定義的加工圖形進行掃描加工，通過消隱偏轉器和消隱阻擋膜孔可實現離子束的消隱。最后，通過第二級靜電透鏡，離子束被聚焦到非常精細的束斑，分辨率可小至約10 nm。被聚焦的離子束轟擊在樣品表面，產生的二次電子和離子被微通道板探測器(MCP)收集并成像。圖3 聚焦

5、離子系統原理聚焦離子束制加工 聚焦離子束加工是通過高能離子與材料原子間的相互碰撞完成的在原子的級聯碰撞過程中，如果受碰撞后的表面原子其動量方向是離開表面，而且能量又達到一定閥值時，就會引起表面粒子出射，這種現象稱為濺射去除，見圖a從表面逸出的各種粒子包括散射離子、二次離子、二次電子、X射線及光子等，來自于不同的物理過程，帶有豐富的表面信息。其中，激發的二次電子可以用來進行離子束顯微成像，見圖b圖a 銑削濺射圖b 顯微成像入射離子經過級聯碰撞，能量損失殆盡而停留在晶格之間，此現象被稱作離子注入，見圖c聚焦離子束不僅可以通過濺射來剝離去除材料，而且可以實現材料在指定位置的添加，即局部誘導沉積，見圖

6、d圖c 離子注入圖d 離子誘導沉積加工精度和表面質量高 離子束加工是靠微觀力效應，被加工表面層不產生熱量，不引起機械力和損傷。離子束斑直徑可達1um以內，加工精度可達nm級加工材料廣可對各種材料進行加工。 對脆性、半導體、高分子等材料均可加工。由于是在真空下進行加工，故適于加工易氧化的金屬、合金和半導體材料等加工方法多樣 離子束加工可進行去除、鍍膜、注入等加工，利用這些加工原理出現了多種多樣的具體方法，如成形、刻蝕、減薄、曝光等，在集成電路制作中占有極其重要的地位。控制性能好 易于實現自動化應用范圍廣泛 可以選用不同的離子束的束斑直徑和能量密度來達到不同的加工要求。其應用范圍可用圖4表示142

7、53聚焦離子束加工的特點圖4 聚焦離子束的應用范圍PART聚焦離子束系統的應用聚焦離子束系統的應用02聚焦離子束系統中用作離子源的金屬元素(如稼)的原子量一般較大，當荷能離子束轟擊樣品時，其能量會傳遞給樣品中的原子(分子)而發生濺射效應。用合適的離子束束流，可以對不同的材料實施高速微區刻蝕，若再配以離子束掃描，則可以在樣品材料上刻蝕出不同的圖形。這一特點的典型應用就是電路板失效檢測、三維納米結構加工和透射電鏡制樣(TEM samplepreparation)。特別是在透射電鏡制樣中，為了使電子能穿越樣品，在制備樣品時要求其厚度非常薄，通常小于100nm傳統的方法是研磨或離子束減薄，這樣會使樣品

8、制備的周期長，通常會因為過度剝離而導致制樣失敗，成功率低。采用聚焦離子束技術為透射電鏡制樣，定位精度高，可以通過電子束成像實時監測，省時省力，而且成功率高。 1 離子束刻蝕01 為了提高離子束刻蝕的速率和離子束刻蝕對不同材料的選擇性，通常在刻蝕過程中用氣體注入系統(GIS)加入一定量的刻蝕氣體以增強刻蝕。其基本原基本原理理就是用高能離子束將不活潑的輔助刻蝕氣體分子(如鹵化物氣體)變成活性原子、離子和自由基，這些活性基團與樣品材料發生化學反應生成揮發勝物質，脫離樣品后被真空系統抽走，從而實現快速刻蝕該技術的最大特點是可以大幅度提高刻蝕速率、刻蝕對材料的選擇性和圖形側壁的垂直性等。022 反應離子

9、束刻蝕 J. T aniguch等用聚焦離子束系統(FIB)的離子束輔助刻蝕技術成功制備了單晶金剛石場發射針尖，聚焦離子束輔助刻蝕技術對減小單晶金剛石場發射針尖的發射區域非常重要。N.A. Paraire采用聚焦離子束刻蝕多層膜的方法加工出了二維光子晶體，下圖是二維光子晶體在同一區域的SEM像。M.Yoshida用聚焦離子束技術在金屬薄膜上刻蝕出線寬幾十納米的溝槽。這種直接微加工技術在人工制備單電子器件、巨磁阻器件等領域非常重要。高能離子束誘導沉積金屬膜和介質膜的基本原理基本原理就是將一些金屬有機物氣體通過氣體注入系統噴涂在樣品上需要沉積薄膜的區域，當聚焦離子束的高能離子作用在該區域時就會使有

10、機物發生分解，分解后的固體物質被沉積下來當離子束按一定的圖形掃描時，即可形成特定的三維微結構圖形，這一特點已在微機械系統的加工中得到應用。將聚焦離子束沉積和刻蝕技術結合起來，在微米/納米三維結構的加工和修復中具有重要應用。比如大規模集成電路的曝光掩膜版制作工藝復雜，周期長，成本高，對修復其中的缺陷是必要的。可利用聚焦離子束技術的沉積和刻蝕技術在曝光掩膜版上淀積必要的部分和去除多余的部分。 3 離子束沉積薄膜YongQi Fu等結合利用聚焦離子束技術的刻蝕和濺射功能，加工成型了9x9微透鏡陣列，單個透鏡的直徑為60um; J. Fujita利用聚焦離子束輔助化學氣相沉積技術(FIB-CVD)精確

11、制備出了微米量級的三維立體結構，如酒杯、線圈等，如圖3所示。這些成果充分體現了聚焦離子束技術在微加工領域中的高精度和高分辨率的特點。圖6 FIB 所加工的三維微結構圖形 4 FIB 顯微成像 離子束的顯微成像功能是其納米加工的重要支撐，利用成像功能可以對加工的結果、樣品形貌和組成等信息進行表征和評價。由于聚焦離子束的束斑直徑為納米尺度，與掃描電子顯微技術相通，可以實現納米精度的高分辨率顯微成像。由于單獨的聚焦離子束系統在完成大束流加工和小束流觀察的過程中需要不斷地切換束流強度，使加工過程變得繁瑣，并且增加對樣品的離子束照射損傷，所以，目前商業上常用的是聚焦離子束與掃描電子顯微鏡相結合的雙束系統

12、。它兼有掃描電鏡高分辨率成像和聚焦離子束高精度加工的功能。用掃描電鏡可以對樣品精確定位，并能高分辨率觀察聚焦離子束的加工結果和過程，對樣品的損傷降到了最低限度，多束系統己成為FIB裝備技術發展的主流。 圖7 銅鎳鋅合金的二次電子顯微圖像對比 圖8所示，銅樣品的晶向對FIB加工結果存在顯著影響，特別是快速掃描加工時影響更顯著。因此，離子束的顯微成像對復合材料的微觀結構、組成和性能的分析研究具有重要的價值。離子束成像的優勢在許多研究中得到了應用，例如，2012年天津大學微納制造實驗(MNMT)，利用聚焦離子束顯微成像對H62黃銅的微觀金相組成進行了高靈敏探測，而同時采用EDX能譜分析卻無法探測和解

13、釋，為微機械加工中微尺度毛刺的形成機理研究提供了重要依據。圖8 銅樣品的晶向對FIB加工結果的影響5 離子注入6 無掩膜曝光離子注入是利用聚焦離子束系統(FIB)中離子能量較高的特點(數萬電子伏以上)，將離子注入基底并與基底材料合成所需的化合物。比如，利用合金液態金屬離子源(如AuSiBe-LMIS.CoNe-LMIS)聚焦離子束系統(配有質量分析器)可以選擇不同的離子注入(如Au. Si. B. As. Ga.In等離子) 同一樣品，從而在一定范圍內形成特定的摻雜或具有特定物化性質的薄膜。與傳統工藝相比，其分辨率高，無需掩膜，從而簡化了工藝，使無掩膜納米級工藝生產變為可能，而且這種微區摻雜是

14、其它技術不易實現的。 聚焦離子束曝光與其它曝光方式相比，具有高靈敏度、高分辨率和高穩定性的特點，且無需掩膜這是由于離子質量大，在抗蝕劑中射程小、能量淀積高、散射角小、鄰近效應小、曝光時間短但是由于離子束的偏轉、消隱以及散射離子的噪聲效應，很難在大而積曝光上應用，所以口前主要用于其它曝光方式無法或難以實現的部分曝光以及實驗室中微區納米結構加工過程中的曝光，如微區納米場致發射陣列的制備等另外，離子束的劑量、能量、束斑直徑(幾微米-10nm)可以調節，能滿足在同一材料上加工不同線寬、不同尺度圖形的要求，與其它工藝相比，工序大為簡化。例如，在加工金屬-氧化物-半體場效應管中，用聚焦離子束曝光，得到了1

15、00nm的硅柵極。 由于聚焦離子束系統的離子束分辨率極高(5-7nm左右)，可以進行樣品特定范圍內的微區分析。結合飛行時間二次離子質譜儀(TOF-SIMS)，將高質量分辨率和高空間分辨率的特點相結合，可以在極小的范圍內獲得樣品表而和深層成分分布的信息，這是材料分析中有力的手段之一。聚焦離子束( FIB)與場發射掃描電鏡(FE-SEM)組合在一起的雙束系統同時具備了兩種設備的優勢單獨的聚焦離子束系統(FIB)在完成大束流微加工和小束流觀察形貌的過程中要不停地變換束流強度，既影響了束流強度的穩定性，又延長了加工時間。在雙束系統中采用電子束成像，不但提高了成像質量，減小了對樣品的損傷，而且縮短了加工

16、時間，避免了對離子束穩定性的影響比如，Bunbunoshin Tomiyasu將聚焦離子束系統與二次離子質譜儀結合起來(FIB-SIMS)進行三維圖形形貌分析，其橫向分辨率達50nm，縱向分辨率達5nm 。 7 微區分析 Ehrenfried Zschec;h用聚焦離子束與掃描電鏡組合(FIB-SEM)為透射電鏡(TEM)制樣，成功地分析了集成電路中銅連線的失效問題。如圖9所示圖9 FIB 切割所得銅連線的SEM照片PARTFIB 納米制造技術的應用03宏觀的超精密車刀由于刀具的輪廓和尺寸的限制，導致其在加工大深寬比微結構時，會有部分區域加工不到，殘留部分將直接影響微光學器件的衍射效率等光學性

17、能。刃形復雜且刃口鋒利的微刀具制備技術己經成為微器件超精密加工的關鍵。2000年，美國Sandia國家實驗室開展了利用聚焦離子束銑削技術，利用高速鋼、硬質合金、單晶金剛石等多種刀具材料制備了矩形和鋸齒形等微車刀以及多刃微銑刀的制備研究，如圖10所示。 1 納米刃口微刀具制備圖10 FIB 加工不同刃型微刀具 2 三維微納功能結構制造基于隧道效應的加速度計由于結構的特點，需要加工出一個具有一定三維取向的亞微米級縫隙，利用縫隙變化時隧道電流的變化可得到加速度值。利用聚焦離子束直寫技術便可實現這一特殊需求的加工。圖11中用FIB加工出一個傾斜的縫隙，縫寬為400 nm，傾角度為45。通過采用較大離子束流粗加工，然后結合小離子束流精修。圖11 FIB加工加速度計微縫隙 另外，北京大學提出了利用FIB轟擊應力引入技術，實現了對薄膜材料的三維功能結構加工，包括不同手性、不同直徑和不同材料等微納尺度螺旋管結構，成為三維納米結構加工的有力途徑之一。如圖12所示。圖12 FIB轟擊應力引入技術實現三維微納螺線管制造透射電鏡(TEM)分析方法是材料研究的重要手段，而TEM樣品為了便于電子能夠穿透樣品進行成像，需要制作的非常