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。

FIB系统分类

按用途：

按用途

FIB曝光系统

按离子能量：

高能FIB系统（<100keV）

中能FIB系统（10100keV）

按结构组成：

单束单光柱FIB系统

FIB注入系统

FIB刻蚀系统

中能FIB系统（10-100keV）

低能FIB系统（<10keV）

双束单光柱FIB系统

双束双光柱FIB系统

FIB沉积系统

FIB电路、掩模修

整系统

多束多光柱FIB系统

全真空FIB联机系统

SIM成像分析系统

4.2 FIB-SEM构造及工作原理42FIB SEM

构造

FIB Column

离子源

离子源是聚焦离子束系统的心脏依据发由于镓元素具有低熔点低离子源是聚焦离子束系统的心脏，依据发展过程分为：

双等离子体离子源

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 液态金属离子源

气态场发射离子源

属材料多为镓（Ga）

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源尺寸等系列优点，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。液态金属离子源的基本结构如图所示。已有用Ga ，In ，Al 等金属作为发射材料的单质液态离子源，也有包含高熔点的Be ，B ，Si 高液态蒸汽压的P ，Zn ，As 等掺杂元素的共晶合金液态离子源。

工作原理

在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属形成细小尖端再加上负电场（

细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属，从而导出离子束。

然后通过静电透镜聚焦，经过连串 然后通过静电透镜聚焦经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，A V A）可决定离子束的大小，p

而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。

4.3 离子束与材料的相互作用

43

聚焦离子束产生的正性聚焦离

子束具有5-150keV的能量，其束

斑直径为几纳米到几微米，束流

为几皮安到几十纳安。这样的离

为几皮安到几十纳安这样的

子束入射到固体材料表面时，离

子与固体材料的原子核和电子相

互作用，可产生各种物理化学现

互作用可产生各种物理化学现

象。

（1）入射离子注入。

（1）入射离子注入

入射离子在与材料中的电子和原子

的不断碰撞中，逐渐丧失能量并被固

体材料中的电子所中和，最后镶嵌到

固体材料中。镶嵌到固体材料中的原

子改变了固体材料的性质，这种现象

叫注入