聚焦離子束（FIB）技術(shù)介紹

1.引言

　　隨著納米科技的發(fā)展，納米尺度制造業(yè)發(fā)展迅速，而納米加工就是納米制造業(yè)的核心部分，納米加工的代表性方法就是聚焦離子束。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的聚焦離子束(FIB)技術(shù)利用高強(qiáng)度聚焦離子束對(duì)材料進(jìn)行納米加工，配合掃描電鏡(SEM)等高倍數(shù)電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察，成為了納米級(jí)分析、制造的主要方法。目前已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路修改、切割和故障分析等。

　　2.原理

　　聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，目前商用系統(tǒng)的離子束為液相金屬離子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)，金屬材質(zhì)為鎵(Gallium, Ga)，因?yàn)殒壴鼐哂械腿埸c(diǎn)、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力;典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測(cè)器、5-6軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備，外加電場(chǎng)于液相金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)過(guò)二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來(lái)達(dá)到切割之目的。

　　3.應(yīng)用

　　聚焦離子束系統(tǒng)除了具有電子成像功能外，由于離子具有較大的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)加速聚焦后還可對(duì)材料和器件進(jìn)行蝕刻、沉積、離子注入等加工。

　　3.1 離子束成像

　　聚焦離子束轟擊樣品表面，激發(fā)二次電子、中性原子、二次離子和光子等，收集這些信號(hào)，經(jīng)處理顯示樣品的表面形貌。目前聚焦離子束系統(tǒng)成像分辨率已達(dá)到5nm，比掃描電鏡稍低，但成像具有更真實(shí)反映材料表層詳細(xì)形貌的優(yōu)點(diǎn)。

　　3.2 離子束蝕刻

　　高能聚焦離子束轟擊樣品時(shí)，其動(dòng)能會(huì)傳遞給樣品中的原子分子，產(chǎn)生濺射效應(yīng)，從而達(dá)到不斷蝕刻，即切割樣品的效果。其切割定位精度能達(dá)到5nm級(jí)別，具有超高的切割精度。

　　使用高能了離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變?yōu)榛钚栽?、離子和自由基，這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物是揮發(fā)性，當(dāng)脫離樣品表面時(shí)立刻被真空系統(tǒng)抽走。這些腐蝕氣體本身不與樣品材料發(fā)生作用，由由離子束將其離解后，才具有活性，這樣便可以對(duì)樣品表面實(shí)施選擇性蝕刻。在集成電路修改方面有著重要應(yīng)用。

　　3.3 離子束沉積薄膜

　　利用離子束的能量激發(fā)化學(xué)反應(yīng)來(lái)沉積金屬材料和非金屬材料。通過(guò)氣體注入系統(tǒng)將一些金屬有機(jī)物氣體噴涂在樣品上需要沉積的區(qū)域，當(dāng)離子束聚焦在該區(qū)域時(shí)，離子束能量使有機(jī)物發(fā)生分解，分解后的金屬固體成分被沉積下來(lái)，而揮發(fā)性有機(jī)物成分被真空系統(tǒng)抽走。

　　3.4 離子注入

　　聚焦離子束的一個(gè)重要應(yīng)用時(shí)可以無(wú)掩模注入離子。掩模注入是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一項(xiàng)基本操作技術(shù)，利用聚焦離子束技術(shù)的精確定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半導(dǎo)體材料和器件上特定的點(diǎn)或者區(qū)域進(jìn)行離子注入，精確控制注入的深度和廣度。

　　3.5 透射電鏡樣品制備

　　透射電鏡的樣品限制條件是透射電鏡應(yīng)用的一大難題，通常透射電鏡的樣品厚度需控制在0.1微米以下。傳統(tǒng)方法是通過(guò)手工研磨和離子濺射減薄來(lái)制樣，不但費(fèi)時(shí)而且還無(wú)法精確定位。聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時(shí)，不但能精確定位，還能做到不污染和損傷樣品。

　　4.聚焦離子束的發(fā)展

　　聚焦離子束現(xiàn)已發(fā)展成與SEM等設(shè)備聯(lián)用。FIB-SEM雙系統(tǒng)可以在高分辨率掃描電鏡顯微圖像監(jiān)控下發(fā)揮聚焦離子束的超微細(xì)加工能力。

　　在FIB-SEM雙束系統(tǒng)中，聚焦離子束和電子束優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。離子束成型襯度大，但存在損傷樣品和分辨率低的缺點(diǎn)，電子束激發(fā)的二次電子成像分辨率高、對(duì)樣品損傷小，但襯度較低，兩者組合可獲得更清晰準(zhǔn)確的樣品表面信息。

　　5.小結(jié)

　　本文簡(jiǎn)單介紹了聚焦離子束(FIB)的基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。它的精確定位、顯微觀察和精細(xì)加工能力在電子領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前5nm的加工精度、無(wú)污染和不損傷樣品在樣品加工方面存在這巨大優(yōu)勢(shì)，是其他樣品制備設(shè)備無(wú)法達(dá)到的水平。