聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和用途

LiquidAAetalSourceCondenser土MlMasssele匚to「LiquidAAetalSourceCondenser土MlMasssele匚to「SampleHolderFocusLensBeamDeflectionCoils4Exlr^ktionssparinungDeflektoruObjeklivfinseiVariableBtendenBlankerFaraday-CupFlussigmetaDlonenquelleFokussterierionenstrahlKondensorlinse示意圖ElectronshowerSecondaivelectrondetectorElectronshowerSecondaivelectrondetectorIonOpticalColumnLiquidM?UI(Alloy)財SourceModuleCondenserlensE^amdefiningapertureExBmassfilterBeamblankerM^ssseiectionap?rtur?internalFaradaycupDoublepreSensdeflectorObjectivelensGasinjectionsystemLaserinterferometercontrolledX-YSampiecontacting:-in-situtests-heating聚焦離子束系統(tǒng)(FIB-focusedionbeam)商業(yè)化制造已經(jīng)接近30年。最初主要供應(yīng)給大型半導(dǎo)體制造商。聚焦離子束FIB,利用鎵離子在很高的空間分辨率下切割去除材料這樣可以在樣品特殊的位置制作剖面(斷面)。樣品既可以直接在FB

中研究，也可以轉(zhuǎn)移到掃描電鏡或者透射電鏡中進行精細分析。當鎵離子和一定氣體作用，它也有可能沉積材料。因此FIB在很廣闊的應(yīng)用范圍內(nèi)能被用于多功能工具使用。FIB系統(tǒng)的操作除了不用電子束以外和掃描電鏡工作方式非常相似。大多數(shù)FIB系統(tǒng)裝備液態(tài)金屬離子源（LMIS），加熱的同時伴隨一定的拔出電壓，獲得鎵離子束。通過一套電子透鏡精細聚焦的鎵離子束，在束偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，形成掃描光柵。離子束的能量分散約為5ev，為了降低像差，在離子束光軸上設(shè)置光闌，為了消除象散，使用八級線圈作為消象散器。如果是合金離子源，通過質(zhì)量選擇器來選擇離子。離子束可通過濺射對樣品局部進行移除，局部沉積，也可以材料FIB表面成像。 —由于離子束加工刻蝕的圖案不是連續(xù)的，因此需要Beamblanking裝置。這個和電子束曝光機中的功能是相同的。由于電磁透鏡的聚焦力直接與荷質(zhì)比相關(guān)，不可能制造電磁透鏡（這需要幾公里的線圈）用于聚焦離子。因此聚焦和離子束的各種操作都是采用靜電透鏡。而不是用于電子的磁透鏡。最小束斑尺寸的限制：主要：由于空間電荷效應(yīng)，在離子源處形成的能量分散，引起的色差。其次：靜電透鏡的球面像差。最終FIB的空間分辨率限度取決于與樣品作用下的信噪比，通常為10nm。成圖真空系統(tǒng)：離子束需要真空度較高，10的負6Pa.如左圖所示，鎵初級離子束轟擊樣品表面，從樣品表面濺射出少量二次離子或者中性原子，初級離子束也產(chǎn)生二次電子QSE）。當初級離子束在樣品表面光柵掃描的時候，通過收集濺射離子或者二次電子QSE）形成圖像成圖在低束流下，很少的材料被濺射，現(xiàn)代FIB系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)4-6nm的圖像分辨率。在高束流下，大量材料通過濺射被移除，允許對樣品精密研磨小到亞微米尺度。

如果樣品為非導(dǎo)體，一個彳氐能的電子發(fā)射槍可用于同正電荷中和。在這種方式下，帶正電的二次離子信號成像捲度絕緣的樣品也可以成像研磨而不需要制備導(dǎo)電鍍膜，而在SEM中一般是需要的。離子源：.；n：LJi.■'JiM :喘上Wf*'覽：口. ’ 朋汕leizwendel.NadelMetall-res^rvoir.Stromzitfuh^ung1.:leizwendel.NadelMetall-res^rvoir.Stromzitfuh^ung1.:HeizslromUi,:Heizspannungr.L：Extrakttansfetronri鄉(xiāng)川兀:EKtraktionjspan.IonBearnExtractorElectrodeLMIS結(jié)構(gòu)原理。針尖為鎢經(jīng)過腐蝕后獲得曲率半徑為10pm級別，決定離子源的直徑大小。拔出電壓在針尖附件產(chǎn)生很大的電場10的10次方V/m。靜電力和Ga與W針尖的表面張力平衡，導(dǎo)致在針尖Taylorcone形成。發(fā)射電流為2微安，在泰勒錐(Taylorcone)頂端形成一個5nm尺度的尖端。離子源為聚焦離子束系統(tǒng)提供穩(wěn)定的，可聚焦的離子束，其尺寸直接影響分辨率。主要參數(shù)：亮度、離子源尺寸、穩(wěn)定性、壽命。材質(zhì)：1、液態(tài)金屬離子源--GaSiBePdAsSbI等多種離子源，分辨率4-6nm鎵：熔點低30攝氏度，蒸汽壓低，與針尖材料不發(fā)生反映，蒸發(fā)率很低。源尺寸50-100nm，亮度：10六次方A/(cm2.sr)發(fā)射穩(wěn)定：常溫下10的-5次方Pa可以工作。應(yīng)用廣泛。壽命：大于1500小時2、 合金離子源--AuSi，AuSiB，PdAs，PdAsB,NiB，NiAs等3、 氣體場發(fā)射離子源--H，He,O,Ne,正在發(fā)展的技術(shù)，需要超高真空，液氮溫度下工作，發(fā)射不是很穩(wěn)定,壽命短。源尺寸：1nm，亮度10的九次方，穿透能力比電子束弱，因此可以表征更真實的形貌。反差機理也比較獨特。離子源的多樣化，使得聚焦離子束系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣化，大大促進了聚焦離子束的發(fā)展。

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