第四章+聚焦离子束的应用-2016

第四章聚焦离子束的应用聚焦离子束是一种用途广泛的微纳米加工工具。

主要内容

1.简介

2.液态金属离子源

3.聚焦离子束系统

4.离子束在固体材料中的散射

5.离子束加工

6.聚焦离子束曝光

（一）简介

聚焦离子束（focused ion beam, FIB）与聚焦电子束的本质是一样的，但是两者又有很大的不同。主要差别在于它们的质量，最轻的离子（如氢离子）也比电子重1000多倍。

离子束当然用来曝光，但不仅只用来曝光，还可以对材料进行溅射和沉积，因此聚焦离子束是一种更广泛的加工工具。

自1910年Thomson发明了气体放电型离子源后，离子束技术主要应用于物质分析、同位素分离和材料改性。

早期的离子源是等离子体放电式的，属大面积离子源。真正的聚焦离子源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、小尺寸的特点，是目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源加上先进的离子光学系统，可以获得只有5nm的最细离子束。一方面，离子束本身可以对材料表面剥离加工；另一方面，以不同的液态金属作为源材料可以将不同的元素注入材料之中，起到对衬底材料掺杂的作用。

聚焦离子束与化学气体配合可以直接将原子沉积到衬底材料表面。这些应用与聚焦离子束的高分辨能力相结合，使它们都具有微小尺度的特点。

因此，聚焦离子束是一种用途广泛的微纳米加工工具。

（二）液态金属离子源

又名：熔融金属场发射离子源

电流体动力离子源

（1）电子轰击型离子源：通过热阴极发射的电子，加速后轰击气体分子，使气体分子电离。这类离子源多用于质谱分析仪。特点是束流不高，但能量分散小。

（2）气体放电型离子源：由气体等离子体放电产生电子。如：辉光放电、弧光放电、火花放电离子源等。这类离子源的特点是产生离子束流大，因此广泛应用于核物理研究，如高能加速器的离子源和离子注入机的离子源。

离子源分类

（3）场致电离型离子源

（4）液态金属离子源都是在大范围内（如电离室）产生离子，通过小孔将离子流引出。因此离子流密度大，离子源面积大，不适合于聚焦成微小束。

一般的场离子发射器，均利用一尖端作为

发射体。尖端曲率半径为微米级。对尖端

加高电压以产生强大的电场，使附近的气

体原子产生电离，离子以束状发射。利用

适当的后续透镜系统，即可获得高亮度、

细聚焦的离子束输出。场致电离型离子源•利用针尖电极附近强电场使吸附在针尖表面的气体原子电离•主要用于场致离子显微镜，研究针尖表面材料的原子结构

利用强电场使气体原子或分子电离的现象称为场电离。对自由原子，电子处于原子势阱中，需要克服电离能才可能逸出。在强场中，电子较易穿过原子位垒而逸出。

液态金属离子源

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。

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/sr，是场致气体电离源的20倍左右。

液态金属离子源的基本结构

液态金属离子源液态金属离子源的离子发射是一个非常复杂的动态过程。发射液尖的形状随电场和发射电流的变化而变化。金属液体还必须保证源源不断地补充因离子发射而造成的物质流失。因此，整个发射过程是一个电流体力学与场离子发射相互依赖、相互作用的过程。

液态金属离子源发射必须满足以下条件（三个维持）

（1）发射表面必须维持一定的形状，从而保持一定的表面电场；

（2）表面电场足以维持一定的发射电流与一定的液态流速；

（3）表面流速足以维持与发射电流相应的物质流量损失，从而使发射表面能够维持一定的形状。反映了表面形状、表面电场、发射电流和液体流速相互依赖与相互制约的关系。

在实际应用上，保持稳定、持续离子发射的一个最关键条件是

保证液态金属和针尖的良好浸润。

（三）聚焦离子束系统

本质上与电子束曝光系统一样。都是由电子或离子发射源、电子或离子光柱、工作台、真空与控制系统组成。

将离子聚焦成细束的核心部件是离子光学系统。

离子光学与电子光学的最基本不同点是：离子具有不同的质量和电荷。不同荷质比的离子在电磁场中受力情况不一样。

聚焦离子束系统

典型的聚焦离子束系统为两级透镜系统

对聚焦离子束电流的进一步控制通过限制膜孔来实现

目前有多家公司可以提供聚焦离子束系统，其中以美国FEI公司的产品占主导

（四）离子束在固体材料中的散射

作为带电粒子，离子和电子一样在固体材料中会发生一系列散射。

离子在固体材料中的能量损失由两方面原因造成：

一）原子核损失：离子与固体材料中原子的原子核碰撞将部分能量传递给原子，使原子移位或完全脱离固体材料表面，这一现象称为溅射。

二）电子损失：离子将能量传递给原子核周围的电子，使这些电子被激发产生二次电子，或剥离固体材料中原子的部分电子，使原子电离为离子，产生二次离子发射。

由于离子比较重，离子在固体材料中的穿透深度（又称为离子射程）很小。

衬底材料：硅离子离子电子

能量50keV100keV50keV

穿透深度50nm100nm10微米

随着能量增加或离子质量降低，离子的穿透深度也会增加。与电子不同的是，离子损失能量后会留在衬底材料中成为材料的一部分，这就是离子注入，是掺杂的一种方法。

程序SRIM(stopping

and range of ions in

matters)，可以免费

下载，用蒙特卡洛

方法模拟离子散射

和溅射过程。

假定衬底材料为非晶