聚焦离子束的纳米加工课件.pptx

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1、聚焦离子束的纳米加工薛迪1聚焦离子束的纳米加工技术2聚焦离子束系统的应用3FIB纳米制造技术的应用CONTENTS基于聚焦离子束的纳米加工技术01聚焦离子束简介聚焦离子束(focusedionbeam,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1840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

2、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Ca离子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。这给进行亚微米加工器件的研究极大的鼓舞。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

3、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10-5Pa，可在常温下工作)，能提供Al.As.Au.B.Be.Bi.Cu.Ca.Fe.In.P.Pb.Pd.Si.Sn及Zn等多种离子。山于Ca(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1所示。聚焦离子束系统的组成及原理聚焦离子束(Focusedionbeam,FIB)系统主要由离子发射源、离子光学系统、工作台、真空与控制系统组成。典型的聚焦离子束系

4、统主要分为两级透镜系统，其结构如图3所示。液态金属离子源产生的离子束，在外加电场的作用下，形成一个极小的尖端，再加上负电场牵引尖端的金属，从而导出离子束。首先，在通过第一级光阑之后，离子束被第一级静电透镜聚焦，初级八级偏转器用于调整离子束以减小像散。经过一系列的可变化孔径，可灵活改变离子束束斑的大小。其次，次级八极偏转器使离子束根据被定义的加工图形进行扫描加工，通过消隐偏转器和消隐阻挡膜孔可实现离子束的消隐。最后，通过第二级静电透镜，离子束被聚焦到非常精细的束斑，分辨率可小至约10nm。被聚焦的离子束轰击在样品表面，产生的二次电子和离子被微通道板探测器(MCP)收

5、集并成像。图3聚焦离子系统原理聚焦离子束制加工聚焦离子束加工是通过高能离子与材料原子间的相互碰撞完成的在原子的级联碰撞过程中，如果受碰撞后的表面原子其动量方向是离开表面，而且能量又达到一定阀值时，就会引起表面粒子出射，这种现象称为溅射去除，见图a从表面逸出的各种粒子包括散射离子、二次离子、二次电子、X射线及光子等，来自于不同的物理过程，带有丰富的表面信息。其中，激发的二次电子可以用来进行离子束显微成像，见图b图a铣削溅射图b显微成像入射离子经过级联碰撞，能量损失殆尽而停留在晶格之间，此现象被称作离子注入，见图c聚焦离子束不仅可以通过溅射来剥离去除材料，而且可以实现

6、材料在指定位置的添加，即局部诱导沉积，见图d图c离子注入图d离子诱导沉积加工精度和表面质量高离子束加工是靠微观力效应，被加工表面层不产生热量，不引起机械力和损伤。离子束斑直径可达1um以内，加工精度可达nm级加工材料广可对各种材料进行加工。对脆性、半导体、高分子等材料均可加工。由于是在真空下进行加工，故适于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等加工方法多样离子束加工可进行去除、镀膜、注入等加工，利用这些加工原理出现了多种多样的具体方法，如成形、刻蚀、减薄、曝光等，在集成电路制作中占有极其重要的地位。控制性能好易于实现自动化应用范围广泛可以选用不同的离子束的束斑直径和

7、能量密度来达到不同的加工要求。其应用范围可用图4表示14253聚焦离子束加工的特点图4聚焦离子束的应用范围聚焦离子束系统的应用02聚焦离子束系统中用作离子源的金属元素(如稼)的原子量一般较大，当荷能离子束轰击样品时，其能量会传递给样品中的原子(分子)而发生溅射效应。用合适的离子束束流，可以对不同的材料实施高速微区刻蚀，若再配以离子束扫描，则可以在样品材料上刻蚀出不同的图形。这一特点的典型应用就是电路板失效检测、三维纳米结构加工和透射电镜制样(TEMsamplepreparation)。特别是在透射电镜制样中，为了使电子能穿越样品，在制备样品时要求其厚度非常薄，通常

8、小于100