聚焦离子束(FIB)的发展——第五次组会

束流带电离子之间的相互作用
这个相互作用的过程取决于几个系统的参数： 粒子质量、光束能量、光束电流、光束汇聚角、光源特性、光柱长度、交叉尺寸、 位置
库仑相互作用产生的效应有三种：空间电荷效应、Boersch 效应和轨道位移效应（the space charge effect, the Boersch effect, and the trajectory displacement effect）
注：离子电流至少1nA
离子束质量的决定因素
带电粒子束的质量取决于最终光斑尺寸和样本上的电流密度（the final spot size and also the current density at the specimen）。 小光斑尺寸和高电流密度是我们想要的。 带电粒子束的高质量主要取决于带电粒子源的特性(the reduced brightness and the initial（intrinsic） energy spread)、光学系统的 特性（像差）以及束中的库仑相互作用
FIB缺点
FIB主要缺点之一是由于使用液态金属离子而不 可避免地受到污染，因此非常需要惰性气体离子 源。镓离子不仅可以改变器件的电性能，而且还 可以影响器件的磁性能。
光束能量 光斑尺寸 电流密度
30kev或50kev 小于100nm 几A/cm^2
FIB主要参数
LMIS参数
LMIS的参数 实际上，从电子光学的角度来看，只有两个性质是非常重要的， 那就是亮度降低和离子能散（the reduced brightness and the ion energy spread）。 关于可靠性的参数，稳定性（stability）和寿命（lifetime） 也很重要
高电流密度的低能聚焦离子束可用于低损伤无掩模加工。然而，在高 束流或低束压下工作的系统中，库仑相互作用的影响占主导地位。 （2005年真空技术 Quest for high brightness, monochromatic noble gas ion sources）
HIM
氦离子显微镜（HIM）的出现为空间分辨率低于10nm的材料改性 和制备提供了新的可能性。 限制分辨率的一个重要因素是衍射，它根植于自然界的基本原理， 因此，除非用到更高的电子能量，否则很难减轻衍射。离子比相 同能量的电子具有更高的动量，因而波长更短。因此，聚焦离子 束（FIB）原则上可以提供比聚焦电子束（FEB）更高的成像分辨 率。 有两个重要因素阻碍了FIB在影像学中的广泛应用。 1、可用源的亮度收到限制 2、由镓离子带来的损伤，在拍摄有用的图像之前，表面被离子 溅射破坏。
每个FIB仪器的用途都是基于离子独特的束与 样品相互作用。
任何离子种类的质量都要比电子大得多，相 应地，对于典型的束流能量，离子束的速度 要低得多，如图所示。因此与物质的相互作 用方式与电子束有着根本的不同。
现有的各种离子种类进一步拓宽了应用范围， 从用氦等轻离子进行高分辨率成像，到用大 质量、大电流离子源进行大规模溅射（镓离 子）。
Reduced brightness Ion-energy spread Ion-current stability Ion-source lifetime
~1·10 ^6A/m^2 SrV ~5—10ev ~（±2%） on a minute scale ~2000 h with ion current ~2 uA
FIB的发展
————杨凯旋
1959年，费曼有一个很著名的演讲 ——“There is Plenty of Room at the Bottom”。 呼吁带电粒子束可以帮助我们以微小的尺度观察和操纵 物质。
目前，聚焦离子束（FIB）仪器在更广泛的聚焦电荷粒子束 仪器系列（包括sem和TEMs）中所占的比例要小得多。虽 然FIB是在电子束之后发展起来的，并且发展相对缓慢，但 目前的情况可以说是FIB的复兴，许多新的仪器类型和新的 应用正在取得成果。
估算公式
r是带电粒子发射区的半径，k是玻 尔兹曼常数，T是发射表面的温度。
降低亮度（the reduced brightness）的定义具有真正的物理意义，其中方程和单位的每 一项都被清楚地给出。降低亮度在整个光学系统中是守恒的，这意味着在带电粒子束 的任何焦点处，可以相同的亮度降低值，而这始终可以与成像条件或带电粒子能量的 值无关。
带电粒子源特性
初始能散是一种固有束流能量扩散， 与带电粒子发射表面的温度有关。
两个公式：
Br

I AV
定义公式
A is the virtual urce size, is the solid angle, and V is the acceleration voltage
Br

eI
2r 2KT
FIB的主要质量，即给定探针电流下聚焦探针的大小，主要 受离子源亮度的限制。因此，FIB性能的提高与离子源技术 的进步密切相关。
发展过程
The gas field ion source （GFIS）是最亮的 离子源，1955年首次开发，但进展缓慢，1980年 代当镓液态金属离子源（LMIS）商业化时几乎被 放弃。 在过去三十多年，镓液态金属离子源一直在被优 化被广泛认为是FIB家族的主力军。但是有一些 应用需求镓液态金属离子源很难满足，这些需求 推动了替代FIB技术的发展。 近年来，GFIS技术得到了重生，氦和氖都有亚纳 米大小的探针。
However, one should use the size of the first-order image and not any observed probe size
电子光学系统的特性
电子光学系统的特性是由光学元件的像差决定的。由于色散的影响，透镜把不同波长的 带电粒子聚焦在沿光轴的不同点上面。能量更高（波长更短）带电粒子比能量较低的粒 子离透镜远得多。 影响：如果能散很大，透镜就没有唯一的焦距。这会对光学系统的分辨率产生不利影响。 即使是完全“单色”（monochromatic）的带电粒子，透镜也会产生球面像差。远离光轴 的带电粒子比靠近光轴的粒子更靠近透镜。 解决方案：为了减小光学系统中球差的影响，只使用靠近光轴的光线。 在FIB系统中，光源提取透镜和最终投影透镜的像差是主要的。
GFIS具有很高的亮度和合理的光源稳定性和寿命
空间电荷效应：在一阶近似下，空间电荷效应是由平均电荷密度引起的光束展宽， 引起散焦（负透镜）。这种散焦现象可以在光学系统中得到校正。 Boersch效应：使得带电粒子轴向展宽，导致能量展宽。 轨道位移效应：使带电粒子横向展宽，使空间粒子分布展宽 若Boersch效应和轨道位移效产生不想要的结果，则无法校正。在光学系统中，必须 尽量保持这些库仑相互作用效应最小。