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聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。

1工作原理编辑液态金属离子源

离子源是聚焦离子束系统的心脏，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[1、2]。液态金属离子源的基本结构如图1所示

在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（泰勒锥），液态尖端的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/s r。

聚焦离子束系统

聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引出。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属材料多为镓（Gallium，Ga）[3、4]。图2给出了聚焦离子束系统结构示意图。

在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后用E×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最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。

2基本功能编辑聚焦离子束显微镜的基本功能可概分为四种：

1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。

2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化层的沉积(Metal and TEOS Deposition)，常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和钨(Tungstun,W)二种。

3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。

4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号，藉以了解切割或蚀刻的进行状况。在实际的应用上，为了有效的搜寻故障的区域或外来掉落的材料碎屑、尘埃、污染粒子(Particles)等位置，离子束显微镜在外围的控制系统上，可配备自动定位导航系统或影像重叠定位装置，当生产线的缺陷检视系统(Defect Inspection System)，例如:KLA或Tencor，发现制程异常时，可将芯片上缺陷的计算机档案传送到自动定位导航系统，离子束显微镜即可迅速找寻缺陷的位置，并进行切割动作，确认缺陷发生的层次，如此可避免芯片送出无尘室后与外界的灰尘混淆，达到 "Off-line 找到的就是In-line 看到的" 精准度，这种功能免除了工程师在试片制备上极大的困扰，同时节省

了传统机械研磨法中大量的人力与工时，加之也大大的提升了成功率。

在新型的聚焦离子束显微镜，目前已有双束(Dual Beam)的机型(离子束+电子束)，在以离子束切割时，用电子束观察影像，除了可避免离子束继续 "破坏现场" 外，尚可有效的提高影像分辨率，同时也可配备X-光能谱分析仪或二次离子质谱仪，作元素分析之用，多样化的分析功能使得聚焦离子束显微镜的便利性及使用率大幅提升。

至于离子束显微镜在IC工业上的应用，主要可分为五大类：1.线路修补和布局验证；2.组件故障分析；3.生产线制程异常分析；4.IC 制程监控-例如光阻切割；5.穿透式电子显微镜试片制作。

在各类应用中，以线路修补和布局验证这一类的工作具有最大经济效益，局部的线路修改可省略重作光罩和初次试作的研发成本，这样的运作模式对缩短研发到量产的时程绝对有效，同时节省大量研发费用。

当我们欲进行产品侦错或故障分析时，在没有KLA或TENCOR等数据档案(例如：GDSII file)数据的情况下，对于小尺寸的晶粒或已经封装后的产品，亦可利用附属的影像重叠系统(Image Overlay System)，在光学显微镜下依据参考点定出欲分析位置的相对横向和纵向距离，而在离子束显微镜内迅速找到该位置，不需以人力费时的去寻找。假若当欲分析处为前层次或是为平坦化制程，离子束显微镜的影像无法从上视(Top-View)的观察推断出确切的分析位置时，也可藉影像对准(Align Image)将离子束显微镜影像与光学显微镜影像重叠，再由光学显微镜影像定出欲切割位置，同样可达成定点位置的分析。

关于穿透式电子显微镜试片制作，离子束显微镜提供了另一种选择，在合理的工作时数(2-6小时)

与成功率(> 90 %)的掌握度下，离子束显微镜不失为良好的试片制作工具。

由于离子束显微镜在辅以不同的化学气体时可具有材料沉积与蚀刻的功能，因此在5-10年前即引起人们对In-Situ Processing(在单一Chamber内连续完成所有制程) 的研究兴趣，许多先进的组件制作，例如：雷射二极管(Laser Diode)，量子井组件(Quantum Well Devices)等，都曾利用离子束显微镜的工作原理示范过组件的制作。加之，因为离子束显微镜的离子源为镓离子，对硅晶材料而言，镓离子植入亦可作为P-Type接面的离子源，在过去的浅接面(Shallow Junction Formation)中，由于镓离子的扩散系数和穿隧效应比硼(Boron,B)来得小，因此也曾掀起研究的热潮。

此外在免光罩式的离子植入(Maskless Ion Implantation)应用上，由于离子束显微镜的离子束能量可随意调变，所以相较于传统式的光阻罩幕后单一能量离子布植，离子束显微镜不但可以作极小面积的离子布植(0.1埃0.1 um2 以下)，而且最特别的是布植区域的离子植入深度 (亦即 P/N 接面的深度)可依组件设计而调变，这将使得组件设计的空间更广更有趣；在IC工业的应用上，离子束显微镜在光罩修补(Mask Repair)上亦有取代雷射光的趋势，尤其是对相位转换光罩(Phase Shift Mask, PSM)的制作中，离子束显微镜的分辨率和修补的精准度(Repair Edge Placement Accuracy)都优于雷射光，在0.25 um以下的制程中，可预期的是离子束显微镜也将会在这个领域中活络起来。

3聚焦离子束曝光技术编辑聚焦离子束曝光技术概述

聚焦离子束也可以像电子束那样作为一种曝光手段。离子束曝光有非常高的灵敏度，这主要是因为在固体材料中的能量转移的效率远远高于电子。常用的电子束曝光抗蚀剂对离子的灵敏度要比对电子束高100倍以上。除了灵敏度高之外，离子束曝光的另一优点是几乎没有邻近效应。由于离子本身的质量远大于电子，离子在抗蚀剂中的散射范围要远小于电子，并且几乎没有背散射效应。

聚焦离子束曝光是一种类似于电子束曝光的技术，它是在聚焦离子束技术基础上将原子离化后形成离子束的能量控制在10～200keV范围内，再对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细线条的图形。其曝光机理是离子束照射抗蚀剂并在其中沉积能量，使抗蚀剂起降解或交联反应，形成良溶胶或非溶凝胶，再通过显影，获得溶与非溶的对比图形。

聚焦离子束曝光技术自发展以来，由于其曝光深度有限以及曝光系统与曝光工艺的复杂性，发展受到了限制。但在实验条件下，聚焦离子束仍可作为制作小批量研究性质的器件的一种工具。真正把聚焦离子束认真地作为一种大规模集成电路生产的曝光工具来开发是20世纪90年代后期的聚焦离子束投影曝光技术。

聚焦离子束投影曝光技术

根据是否有静电离子投影镜，聚焦离子束投影曝光技术可分为有掩模的1：1聚焦离子束投影曝光和有掩模的聚焦离子束缩小投影曝光两类。

有掩模的1：1聚焦离子束曝光，它包括离子源、离子束照明系统、镂空掩模和工件台等。它是将平

行的离子束照射在镂空掩模上，使掩模上的图像直接映在下面的工件台上，象拍照一样一次性产生曝光图形。

有掩模的离子束缩小投影曝光，它包括离子源、离子束系统、镂空掩模、静电离子束投影镜和工件台等。它是在掩模和工件间加一个静电离子束投影镜，使经过掩模的图像按比例缩小到工件台上，从而使曝光图形的线宽得到进一步的缩小，同时也缩小了掩模制作上的缺陷，大大地降低了掩模的制作难度。然而这种掩模也面临着应力和入射离子造成的发热等问题，为此采取了一系列措施，如：对掩模进行掺杂；对膜增加保护层；设计掩模冷却系统及通过有限元分析改进了掩模框架的设置，避免气流对掩模造成振动等。

聚焦离子束投影曝光技术的优点

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也就是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。而光学曝光的焦深只有1～2μm为，图5显示了聚焦离子束投影曝光获得的线条图形。线条跨越硅片表面的起伏结构时其线宽没有任何变化。聚焦离子束投影曝光的另一个优点是通过控制离子能量可以控制离子的穿透深度，从而控制抗蚀剂的曝光深度。

聚焦的离子束在半导体行业有着重要作用，可用来切割纳米级结构，对光刻技术中的屏蔽板进行修补，制作透射电镜样品，分离和分析集成电路的各个元件，激活由特殊原子组成的材料，使其具有导电性等等。我国的科研单位及高等院校在聚焦离子束曝光技术及其应用方面也作了大量的研究工作并取得了可喜的成绩。我们相信，随着我国微电子工业的发展，聚焦离子束曝光技术及其应用技术也必将被提高到新的水平。

离子束加工原理特点及其应用研究

本科课程论文题目离子束加工原理特点及其应用研究学院专业机械设计制造及其自动化年级2012 学号姓名指导教师成绩

2014年12 月10 日目录 1 前言 (1) 2 离子束加工的原理 (2) 3 离子束加工的优缺点 (3) 3.1离子束加工的优点 (3) 3.1.1加工精度高 (3) 3.1.2污染少、无氧化 (3) 3.1.3对材料影响小 (3) 3.2离子束加工的缺点 (3) 4 离子束加工的分类 (3) 4.1离子蚀刻 (3) 4.2离子溅射沉积 (3) 4.3离子镀 (4) 4.4离子注入 (4) 5离子束加工的主要应用 (4) 5.1刻蚀加工的定义及具体应用领域 (4) 5.1.1刻蚀加工的定义 (4) 5.1.2刻蚀加工的应用领域 (4) 5.2离子镀膜加工的定义及具体应用 (4) 5.2.1离子镀膜加工的定义 (4) 5.2.2离子镀膜加工的具体应用 (5) 5.3离子注入加工的定义及具体应用 (5) 6离子束加工应用现状 (5)

7结语 (5) 参考文献 (6)

离子束加工原理特点及其应用研究摘要:本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。关键词：离子束加工原理分类现状 1 前言特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米

医用重离子加速器

第三章医用重离子加速器医用重离子加速器提供的重离子束主要应用于重离子束治癌，而提供的放射性核素以在核医学方面的应用为主。重离子束治癌在美，日，德等发达国家已进入到临床试验阶段，而放射性核素在核医学方面的应用大都处于试验研究阶段。由中国科学院近代物理研究所、甘肃省医学科学研究院、甘肃省肿瘤医院合作、兰州军区兰州总医院参与的甘肃省科技重大项目——“重离子束辐射治疗癌症的关系就是开发研究”，于2006年12月开始临床研究。到目前，已应用重离子束放射治疗浅表肿瘤受试者127名，效果显著，绝大部分病人无明显不良反应，治

疗后病人的随访率达96%以上，使我国成为国际上第4个有能力进行重离子治癌临床研究的国家。第一节重离子治癌原理一、概述重离子束与物质相互作用的特殊机理使得它在肿瘤治疗方面具有一系列明显的优点：重离子束治疗精度高达(毫米量级);剂量相对集中，照射治疗时间短，疗效高；对肿瘤周围健康组织损伤小；重离子束治疗能做到实时监测，便于控制辐照位置和剂量。以上优点使得重离子束的治疗作用可

以与手术刀媲美，达到普通电离辐照(此处普通电离辐照指x、r及电子束)治疗难以实现的疗效，因而重离子束被称为是21世纪最理想的放射治疗用射线。也正是由于重离子束在放射治疗中的上述优点，世界上许多国家都倾注了大量的人力和物力进行医用重离子束加速器的研制，或利用已有的重离子加速器进行治癌装置的建造和治癌基础及临床应用研究，这使得重离子治癌成为放射治疗领域的前沿性研究课题。二、重离子治癌的科学依据和优势放射治疗的主要原则就是给予肿瘤尽

可能大的辐射剂量，将癌细胞杀死，同时又尽可能地保护肿瘤周围和辐射通道上的正常组织使其少受损伤。由于普通电离辐照对剂量深度分布均呈指数衰减或略微上升而后衰减的特征，使治疗受到很大限制；而重离子束以其独特的放射物理学和放射生物学性质，在放射治疗上独具优势。（一）重离子束的物理特性 1.特殊的深度剂量分布荷电重离子贯穿靶物质时主要是通过与靶原子核外电子的碰撞损失其能量，随离子能量的降低，这种碰撞的概率增大。因此，离子在接近其射程末端时损失其大部分初始动能，形成一个高剂量的能量损

聚焦离子束技术

第四章聚焦离子束技术（FIB）

本章主要内容 4.1 FIB系统介绍 41FIB 4.2 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62 3.3x10A/（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。

重核离子束成分的加速器质谱分析

第33卷第2期原子能科学技术V o l.33,N o.2 　1999年3月A tom ic Energy Science and T echno logy M ar.1999重核离子束成分的加速器质谱分析3 何　明　姜　山　蒋崧生　武绍勇 (中国原子能科学研究院核物理研究所,北京,102413) 为拓展加速器质谱技术(AM S)测量范围及测量放射性核束成分,建立了利用入射离子发射特征X射线鉴别同量异位素的方法,开展了利用AM S测量重核离子束成分的工作。用此方法可将测量79Se时的同量异位素干扰79B r压低2个数量级。对将用于64Cu放射性束实验的铜靶离子束成分进行了分析。关键词　离子束分析　入射离子X射线　加速器质谱中图法分类号　TL52　TH84 加速器质谱技术(AM S)由于其高灵敏度而广泛应用于各个学科。AM S在测量重核,如79Se、126Sn等会遇到同量异位素的严重干扰。为拓展AM S测量范围,需建立重核的AM S分析新方法。另外,放射性核束物理实验的束流是混合束(受到一些稳定核素的干扰),需要对其成分进行鉴别而对离子束成分分析提出了要求。当离子经过加速器加速再经过分析磁铁选定所测核素后,离子束中一般只有所测核素的同位素和同量异位素。因此,离子束成分分析主要是分析离子束中的同位素和同量异位素含量。 1　同位素的分析方法 111　电刚度分析法待分析样品在离子源被电离、经加速器加速后由分析磁铁选择出某一核素,只有相同磁刚度2〔(E q)?(m q)〕1 2的离子才能通过分析磁铁(E、m、q分别为离子能量、质量和电荷态)。离子在加速过程中由于电荷交换等原因使一些同位素的磁刚度满足选定的磁刚度而通过分析磁铁,因这些同位素离子质量不同,能量比选择的离子能量要高或低。静电分析器是能量分析器,即只有电刚度(E q)相同的离子才会通过静电分析器,因此可对离子的同位素进行分析。中国原子能科学研究院的高灵敏静电分析器[1]可对离子束中的同位素进行分析:通过改变静电分析器的电压让能量不同的离子(相应于质量不同的离子)通过静电分析器,对通过的离子进行测量来对离子束中的同位素进行鉴别。静电分析器在分析模拟传输64Cu时离子束中同位 3国家自然科学基金和核工业基金资助项目何　明:男,29岁,加速器质谱学专业,助理研究员收稿日期:1998205218　收到修改稿日期:1998208202

聚焦离子束加工技术及其应用

聚焦离子束加工技术及其应用摘要：。聚焦离子束(FIB)技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸，通过偏转系统实现微细束加工的新技术。文章简述了聚焦离子束工作原理和应用前景等。关键词：聚焦离子束、刻蚀 1．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年美国加州休斯研究所的R．L．Seliger等人建立了第一台装有Ga 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1．5A／cm ，亮度达3．3×10。A／(cm2．sr)。这给进行亚微米JJnq-器件的研究极大的鼓舞。聚焦离子束(FIB)技术就是在电场及磁场的作用下，将离子束聚焦列亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。FIB技术经过不断发展，离子束已可以在几个平方微米到近lmm 的区域内进行数字光栅扫描，可以实现：①通过微通道极或通道电子倍增器收集二次带电粒子来采集图像。②通过高能或化学增强溅射来去除不想要的材料。③淀积金属、碳或类电介质薄膜的亚微米图形。 FIB技术已在掩膜修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜(TEM)试样制作及三维结构直写等多方面获得应用。 2．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 Pa，可在常温下工作)，能提供A1、As、Au、B、Be、Bi、Cu、Ga、Fe、In、P、Pb、Pd、Si、Sn及Zn等多种离子。由于Ga(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 结构示意图如图所示。 FIB系统由离子束柱、工作腔体、真空系统、气体注入系统及用户界面等组成，图2是聚焦离子束工作原理示意图。其工作原理为：在离子柱顶端的液态离子源上加上较强的电场，来抽取出带正电荷的离子，通过同样位于柱中的静电透镜，一套可控的上、下偏转装置，将离子束聚焦在样品上扫描，离子束轰击样品后产生的二次电子和二次离子被收集并成像。典型的聚焦离子束系统的工作电流在lpA到30nA之间。在最小工作电流时，分辨率均可达5nm。目前已有多家公司可以提供商品聚焦离子束系统，其中以美国FEI公司的产品占主导地位。该公司可提供一系列通用或专用聚焦离子束机，包括结构分析系列与掩模缺陷修补系列的电子离子双束系统与集成电路片修正系统。双束系统的优点是兼有扫描镜高分辨率成像的功能及聚焦离子束加工的功能。用扫描电镜可以对样品精确定位并能实时观察聚焦离子束的加工过程。聚焦离子束切割后的样品可以立即通过扫描电镜观察。工业用机的自动化程度高，可装载硅片的尺寸为(6～8)in。 3．聚焦离子束加工的特点

基于聚焦离子束注入的微纳加工技术研究

第28卷第1期2009年2月电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society Vol 28,No 12009 2 文章编号:1000 6281(2009)01 0062 06 基于聚焦离子束注入的微纳加工技术研究徐宗伟1,2 ,房丰洲 1,2* ,张少婧1,陈耘辉 1 (1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津市微纳制造技术工程中心,天津300072; 2.天津微纳制造技术有限公司,天津300457) 摘要:提出了聚焦离子束注入(focused ion beam implantati on,FIBI)和聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀(gas assisted etching,GAE)相结合的微纳加工技术。通过扫描电镜观察FIBI 横截面研究了聚焦离子束加工参数与离子注入深度的关系。当镓离子剂量大于1 4 1017i on cm 2时,聚焦离子束注入层中观察到均匀分布、直径10~15nm 的纳米颗粒层。以此作为XeF 2气体反应的掩膜,利用聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀(FIB GAE)技术实现了多种微纳米级结构和器件加工,如纳米光栅、纳米电极和微正弦结构等。结果表明该方法灵活高效,很有发展前途。关键词:聚焦离子束(FIB);离子注入;气体辅助刻蚀(GAE);微结构中图分类号:TH73;TH74;O59 文献标识码:A 收稿日期:2008 11 19;修订日期:2008 12 16 基金项目:高等学校学科创新引资计划资助(B07014). 作者简介:徐宗伟(1978-),男(满族),辽宁人,博士后.E mail:zongwei xu@163.c om.*通讯作者:房丰洲(1963-),男(汉族),黑龙江人,教授.E mail:fzfang@https://www.wendangku.net/doc/7316069557.html,. 聚焦离子束(focused ion beam,FIB)加工技术在微纳米结构的加工中得到广泛的应用[1,2] 。聚焦离子束系统不仅能够去除材料(铣削加工),还具有添加材料(离子注入和沉积)加工的能力。离子注入是采用高能离子轰击样品表面,使高能离子射入样品,入射离子通过与工件中的原子碰撞,逐渐失去能量,最后停留在样品表层。对聚焦离子束注入损伤的显微研究目前普遍使用的是透射电子显微镜[3] 。透射电子显微镜具有分辨率高的优点,但透射电镜样品的制备难度较大。与传统的掩模注入法相比,运用聚焦离子束系统进行定点离子注入,不仅大大节省成本,还可节约加工时间[4] 。聚焦离子束离子注入已被尝试应用于纳米结构和器件的加工研究,主要方法是利用FIBI 层作为掩膜,结合湿法刻蚀[5] 或反应离子深刻蚀 [6] 。利用FIBI 和KOH 溶液湿法刻蚀的加工方法,可在硅基底上加工纳米悬臂梁。FIBI 还可以用来增强聚合物材料的抗刻蚀性 [1] 。目前FIBI 结合后续的湿法刻蚀及反应离子刻蚀的方法将刻蚀除离子注入区域外基底所有其它位置,无法实现在局部位置的刻蚀加工,限制了离子注入技术的应用。本文首先研究了聚焦离子束加工参数对离子注入深度的影响规律,以及聚焦离子束离子注入层作为蚀刻掩膜时离子束照射剂量的临界值。提出了聚焦离子束离子注入结合聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀加工微纳结构的方法,实现了纳米光栅、纳米电极和准三维复杂结构的微纳结构和器件的加工。 1 实验使用FIB SE M 双束系统(FEI Nova Nanolab 200)对Si(100)基底进行离子注入。FE SE M 的图像分辨率为1 1nm,而聚焦离子束束斑直径可小至5nm 。系统使用镓离子作为离子源,加速电压为5~30kV,工作电流为1pA~20nA 。 2 FIBI 的显微组织研究 2 1 离子注入深度研究利用聚焦离子束对FIBI 层进行切截面加工,然后用场发射扫描电镜对离子束注入截面进行观测,如图1a 所示。图1b 所示是对聚焦离子束注入层的横截面高分辨率观察结果。聚焦离子束工作参数为30kV 30pA,加工区域为2 m 2 m 。如果离子束照射剂量大于7 0 1016 ion cm 2 ,在离子注入层的横截面上会出现直径10~15nm 的纳米颗粒。当离子束照射剂量较小时,离子注入层厚度随加工时间的增加而增大;当离子束照射剂量增加到一定程度,离子铣削和离子注入达到动态平衡,离子注入层的厚度趋于稳定。图1b 反映了离子注入层深度可通过离子注入层横截面测量得到。为避免聚焦离子束加工再沉积对测量结果的影响,以注入层最上面到最下面的纳米级颗粒间的距离作为离子注入深度,对加速电压

加速器类型

粒子加速器： particleaccelerator 一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。粒子加速器有三个基本组成部分：粒子源；真空加速系统和导引、聚焦系统。粒子加速器的效能通常以粒子所能达到的能量来表征。粒子能量在100MeV 以下的称为低能加速器，能量在 0.1?1GeV间的称为中能加速器，能量在1GeV以上的称为高能加速器按照被加速粒子的种类，加速器可分为电子加速器、质子加速器和重粒子加速器等。按照加速电场和粒子轨道的形态，又可分为四大类：直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工作的粒子品种、能量范围以及性能特色。近年来，大中型的粒子加速器（如重离子加速器和高能加速器等）往往采用多种加速器的串接组合：例如由直流高压型加速器作预加速器，注入直线谐振式加速器加速至中间能量，再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。（撰写：陈佳滠审订：关遐令）串列加速器： tandem accelerator 利用一个高压使带电粒子获得两次加速的静电型加速 KB 器。串列加速器的直流高压通常由输电系统将电荷从低电位输送到高压电极上而形成。它的工作原理是将由负离子源产生负离子注入到加速器主体中，在高压电极的正电

场的作用下，经低能段加速管被第一次加速。当负离子到达高压电极后，通过电子剥离器并被剥掉2 个或多个电子，变为正离子。在高压电极作用下，正离子经高能段加速管再次被加速。图为中国原子能科学研究院的HI-13 串列加速器主体外貌。（撰写：秦久昌审订：关遐令）高压倍加器： Cockcroft-Waltonaccelerator 利用倍压整流方法产生直流高压，对离子或电子加速。其倍压整流工作原理如图所示，主要由高压变压器，高压整流器和高压电容器等组成。在无负载时，倍压整流线路输出的高压V随倍压级数n增加而线性增加，可表达为V-2nVa,式中Va为高压变压器T的次级绕组交流电压峰值。当有负载时，随着级数n 的增加，线路的电压降和电压波动会严重增加，因此级数n 不能太高。一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏（大气中）到兆伏级（高气压下）。高压倍加器由高压倍压整流电源，离子源（或电子枪），加速管、聚焦和传输系统，真空和控制系统组成。高压倍加器的输出功率较大，可以用作较理想的中子源，X 光源少离子注入机。（撰写：秦久昌审订：关遐令）静电加速器： electrostatic accelerator; Van de Graff accelerator 一种利用直流高压静电场对带

聚焦离子束实验报告

聚焦离子束系统虚拟仿真实验报告姓名杨旺学号2220190690 专业班级航海技术四班一、实验目的 1.理解聚焦离子束系统的基本结构和工作原理。 2.理解电子束与固体样品作用产生的信号在测试分析中的作用。 3.熟悉扫描电镜的参数设置和操作流程。 4.熟悉离子束刻蚀和沉积的技术特性。二、实验原理聚焦离子束系统是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观测手段，包括扫描电子显微镜成像和离子束刻蚀沉积。聚焦离子束系统的优点是:①有较高的放大倍数，20-30万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单；④离子束刻蚀沉积。 1.聚焦离子束系统的构造聚焦离子束系统的构造主要是扫描电子显微镜。扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图象显示和记录系统，真空系统三个部分组成。其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。扫描电子显微镜中的各个电磁透镜不做成像透镜用，而是起到将电子束逐级缩小的聚光作用。扫描电子显微镜一般有三个聚光镜，前两个是强磁透镜，可把电子束缩小；第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距以便使样品和透镜之间留有一定的空间，装入各种信号接收器。扫描

电子显微镜中射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的放大倍数就越高。 2.聚焦离子束系统的工作原理（1）扫描线圈扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动。电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一个扫描发生器控制的。电子束在样品表面有两种扫描方式，进行形貌分析时都采用光栅扫描方式。当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带有逐行扫描的动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一帧比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器收集，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摇摆的角度也越大。在进行电子束通道花样分析时，采用这种方式。（2）样品室样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。样品台本身是个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和旋转等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。

3.离子束分析技术

Zhang Xiaodong
参考书目
离子束分析
Ion Beam Analysis (IBA)
? 《离子束分析》杨福家
1985版 1985版
? 《原子核物理实验方法》（下） 1985版 1985版 ? 《粒子同固体物质相互作用》（上）王广厚 ? 《质子X荧光分析和质子显微镜》任炽刚 1981版《质子X 1981版
课程安排
综述卢瑟福背散射分析（RBS）、弹性反冲分卢瑟福背散射分析（RBS）、弹性反冲分析（ERD）和沟道技术析（ERD）粒子诱发X射线荧光分析（PIXE）粒子诱发X 射线荧光分析（PIXE）核反应分析（NRA）核反应分析（NRA）如有时间，适当补充课外知识
1.1 绪言
? 粒子与离子的概念差异
– 在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称
? 离子束分析的概念
– 总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科 – 具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、α离子及其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科 – 为了对其概念有一深入的理解，大家来看离子束作用机制图
次级离子质谱
次级粒子
俄歇电子 X射线
Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)
离子
-原子作用范畴离子
俄歇电子谱
Auger Electron Spectrometry(AES)
粒子诱发X射线荧光分析
Particle Induced X-ray Emission(PIXE)
离子束（E,q）发射粒子背散射粒子样品 γ射线
弹性反冲分析
Elastic Recoil Detection(ERD)
-原子核作用范畴
核反应分析
Nuclear Reaction Analysis(NRA)
卢瑟福背散射分析
Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS)
离子束作用机制图
离子束分析作用机制图
质子X射线荧光分析
1

聚焦离子束(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(Suppressor)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。以下为其切割（蚀刻）和沉积原理图：在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。 1工作原理编辑液态金属离子源离子源是聚焦离子束系统的心脏，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[1、2]。液态金属离子源的基本结构如图1所示在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（泰勒锥），液态尖端的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/s r。聚焦离子束系统聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引出。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属材料多为镓（Gallium，Ga）[3、4]。图2给出了聚焦离子束系统结构示意图。在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后用E×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最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。 2基本功能编辑聚焦离子束显微镜的基本功能可概分为四种： 1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。 2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化层的沉积(Metal and TEOS Deposition)，常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和钨(Tungstun,W)二种。 3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。 4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号，藉以了解切割或蚀刻的进行状况。在实际的应用上，为了有效的搜寻故障的区域或外来掉落的材料碎屑、尘埃、污染粒子(Particles)等位置，离子束显微镜在外围的控制系统上，可配备自动定位导航系统或影像重叠定位装置，当生产线的缺陷检视系统(Defect Inspection System)，例如:KLA或Tencor，发现制程异常时，可将芯片上缺陷的计算机档案传送到自动定位导航系统，离子束显微镜即可迅速找寻缺陷的位置，并进行切割动作，确认缺陷发生的层次，如此可避免芯片送出无尘室后与外界的灰尘混淆，达到 "Off-line 找到的就是In-line 看到的" 精准度，这种功能免除了工程师在试片制备上极大的困扰，同时节省

聚焦离子束系统方法通则编制说明

教育行业标准《聚焦离子束系统方法通则》（征求意见稿）编制说明受全国教学仪器标准化技术委员会委托，本标准编写建议稿由北京科技大学作为主持修订单位，国家纳米科学中心、哈尔滨工业大学作为辅助修订单位，南京大学、西安交通大学、天津大学、重庆大学作为参加单位一起完成。在修订稿编写的过程中，积极参加编制组各次工作会议，提供编制组需要的相关参考资料，对标准的各版进行认真的讨论和审议，提出大量有益的意见和建议，并严格按照GB/T1.1《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》和其它有关规定执行。在标准修订过程中，还得到了Zeiss公司、FEI 公司、Tescan公司的专家们的大力支持。 1 采用或参考国外标准情况标准建议稿中没有参考国外标准。 2 参考国内标准情况本标准为新制定的标准，在原《JY/T010-1996分析型扫描电子显微镜方法通则》的基础上，参考了国内相关的标准，主要标准如下： [1] GBT 16594-2008 微米级长度的扫描电镜测量方法通则 [2] GBT 20307-2006 纳米级长度的扫描电镜测量方法通则 [3] GB/T 15861-2012 离子束蚀刻机通用规范 3 主要制定过程 2015年6月24日，由全国教学仪器标准化技术委员会主持在江苏省扬州市进行了标准编写培训，并召开了本标准的任务落实会及第一次工作会。会上成立了标准编制组，编制组成员单位有：北京科技大学、国家纳米科学中心、哈尔滨工业大学、作为等7家单位，并布置了各单位的编制任务。 2015年6月28日，按照任务落实会及第一次工作会的精神，各编制单位如期完成第一期编制任务，由北京科技大学主持进行了第二次工作会议，会议以电话沟通会的形式对编制计划和方案初稿进行了修改。 2015年7月1日，完成了编制计划和方案的制订，并确定了工作组的名单。 2015年7月12日 - 7月24日，众编制单位多次组织网上讨论和发邮件进行先期的沟通和交流，并查阅相关标准和书籍、文献资料，提出通则提纲和框架结构。 2015年8月5日，工作组严格按照GB/T1.1《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》，在调查研究和组内意见与分工的基础上，对通则进行仔细编制，形成编制初稿第一稿，并对《聚焦离子束系统方法通则》初稿第一稿进行了讨论与修改。 2015年8月6日-8月30号，工作组完成《聚焦离子束系统方法通则》初稿第二稿。

电子束与离子束的区别

电子束与离子束的原理及其异同模具三班一、1.电子束与离子束的加工原理比较电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可以进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加工。离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应

二、聚焦离子束聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术。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属材料多为镓。在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定离子束的大小，而后用E ×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最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。三、如何控制其方向磁偏转与电偏转分别是利用磁场和电场对运动电荷施加作用，控制其运动方向。这两种偏转有如下差别：在磁偏转中，变化的使粒子做匀速曲线运动——匀速圆周运动，其运动规律分别从时(周期)、空(半径)两个方面给出在电偏转中，恒定的使粒子做匀变速曲线运动——类平抛运动，其运动规律分别从垂直于电场方向和平行于电场方向给出磁偏转中，粒子的运动方向所能偏转的角度不受限制，且在相等时间内偏转的角度总是相等。在电偏转中，在相等的时间内偏转的角度是不相等的。

聚焦离子束技术

讲习班总结 7月11日（周二） 1.聚焦离子束技术（FIB）定义：将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束扫描运动，实现微纳米图形的检测分析和微纳米结构的无掩模加工。离子源：液态金属镓应用：掩模板修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜样品制备、三维结构直写等方面。基本组成：离子源、电子透镜、扫描电极、二次粒子探测器、多轴多向移动的样品台、真空系统。

聚焦离子束与SEM一样，通过偏转系统控制离子束在样品表面进行光栅式扫描，同时由信号探测器接受被激发出来的二次电子或二次离子等信号，从而得到样品表面的形貌图像。FIB激发的二次电子信号强度除了与表面形貌有关外，还因样品的晶体取向、原子质量有明显的不同。 FIB获得的图像SEM获得的表面形貌包含的信息更为丰富。 FIB可以分析薄膜材料每层厚度，也可以用作成分分析。 FIB+EDS 可以做三维成分分析。

刻蚀和切割是聚焦离子束技术最主要的功能。FIB通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，从而按照设定的图案刻蚀出设计的结构。在刻蚀过程中，溅射溢出的颗粒大部分被真空泵抽走，但有部分会掉落在被刻蚀区域附近，这一过程成为再沉积。再沉积会对临近的结构形成填埋，因此在刻蚀多个相邻的结构时，通常采用并行的模式，以减小再沉积的影响。在实际应用聚焦离子束加工制作微纳米结构时，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最终加工制作出的结构有时会产生缺陷，这些缺陷主要包括：倾斜侧壁在聚焦的束斑内，离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有~4°的锥度。要想得到与样品表面完全垂直的截面，通常采用将样品人为倾斜特定的角度，以弥补截面与离子束入射角度之间的偏差。另外，还可以采用侧向入射的方式进行切割，通过定义刻蚀图案来控制截面与表面的角度，灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。窗帘结构聚焦离子束加工样品截面时，另外一个需要关注的问题是截面的平整度，有时会在截面上出现竖直条纹，被称为窗帘结构。窗帘结构的形成与聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁密切相关，当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，就会形成窗帘结构。对于表面形貌起伏引起的窗帘结构，解决办法通常是在样品表面用FIB辅助化学气相沉积生长一层保护层，使表面变得平坦；也可以通过改变离子束的入射方向，从没有起伏的面开始切割，从而避开其影响。对于成分差异引起的窗帘结构，可以通过摇摆切割的方式，使离子束在多个角度入射进行消除。非均匀刻蚀聚焦离子束可以直接快速地加工制作微纳米平面图形结构，对于非晶体材料或单质单晶材料，FIB刻蚀通常可以得到非常平整的轮过形状和底面，但对于多晶材料和多元化合物材料，由于各个晶粒的取向不同，刻蚀速率在不同晶粒区域也会不同，经常会呈现非均匀刻蚀，底面并不平整。对于多晶材料刻蚀出现的非均匀性加工缺陷，可以通过增大离子束扫描每点的停留时间来加以改善。聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子会落回样品表面，该过程称为再沉积。增大离子束在每点的停留时间，再沉积的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。气体辅助刻蚀可以大大提高刻蚀速率，减少再沉积，提高深宽比极限。（离子束辅助沉积）

离子源及加速器的国内外发展简介

离子源及加速器的国内外发展 2.1离子源及其主要类型离子源是加速器的重要部件，它的目的是将样品物质电离成带电地原子离子或分子离子。其工作原理为：热发射或者场致发射产生电子后在放电室内部被加速，得到能量，然后电子开始撞击气体分子使气体分子发生离解、电离，然后形成等离子体（等离子体离子源），最后用引出系统在等离子体中引出离子束。离子源应该具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。根据不同使用条件以及用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用比较广泛的就有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些离子源都是以气体放电为基础的,因此常被统称为弧源。高频离子源却是利用稀薄气体进行高频放电来令气体电离，一般都用来生产低电荷态的正离子，有时也生产负离子，用作负离子源来使用。而新型的重离子源的出现，使得重离子的电荷态得到显著提高,其中比较稳定的有电子回旋共振离子源(ECR)以及电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好就有转荷型以及溅射型两种。在一定条件下，以气体放电作为基础的各类离子源，都可以提供一部分的负离子束流。图2.1离子源

①高频离子源图2.2高频离子源利用稀薄气体中高频放电使气体发生电离，主要产生低电荷的正离子，不过有时候也生产负离子。在高频电场之中，自由电子与气体中地原子发生(或分子)碰撞，最后发生电离。从而带电粒子倍增，最后形成无极放电，生产了大量的等离子体。高频离子源的放电管通常使用派勒克斯玻璃或者石英管来制造。高频场则可以由管外螺线管线圈来产生，也可以使用套在管外的圆形电极产生。前者通常称为电感耦合，后者则称之为电容耦合。高频振荡器的频率通常为10 ～10 Hz，输出功率则可以达到数百瓦或以上。从高频离子源中引出离子的方法主要有两种，其一是在放电管顶端插入一根钨丝来作为正极，而在放电管的尾端则安装一个带孔地负电极，并将该孔做成管形，方便从中引出离子流。其二则是可以把正极做成帽形，然后装它在引出电极地附近，并且放电区就在它的另外一边。但无论采用那一种引出的方式，金属电极都使要用石英或玻璃包裹起来，这可减少离子会在金属表面的复合。

聚焦离子束技术修订稿

聚焦离子束技术 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-