聚焦離子束顯微鏡科普

    聚焦離子束顯微鏡科普
    1.引言
        隨著納米科技的發(fā)展,納米尺度制造業(yè)發(fā)展*,而納米加工就是納米制造業(yè)的**部分,納米加工的代表性方法就是聚焦離子束。近年來發(fā)展起來的聚焦離子束(FIB)技術(shù)利用高強(qiáng)度聚焦離子束對材料進(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)時觀察,成為了納米級分析、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.工作原理
         聚焦離子束(ed 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 MetaIon 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、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備,外加電場于液相金屬離子源,可使液態(tài)鎵形成細(xì)小**,再加上負(fù)電場(Extractor) 牽引**的鎵,而導(dǎo)出鎵離子束,在一般工作電壓下,**電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2,以電透鏡聚焦,經(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小,再經(jīng)過二次聚焦至試片表面,利用物理碰撞來達(dá)到切割之目的,結(jié)構(gòu)示意圖如下圖:
    
    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)過加速聚焦后還可對材料和器件進(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,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,但成像具有較真實(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,其動能會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級別,具有**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印㈦x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)來沉積金屬材料和非金屬材料。通過氣體注入系統(tǒng)將一些金屬**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,離子束能量使**物發(fā)生分解,分解后的金屬固體成分被沉積下來,而揮發(fā)性**物成分被真空系統(tǒng)抽走。
    
    3.4 離子注入
        聚焦離子束的一個重要應(yīng)用時可以無掩模注入離子。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)方法是通過手工研磨和離子濺射減薄來制樣,不但費(fèi)時而且還無法精確定位。聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時,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**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、對樣品損傷小,但襯度較低,兩者組合可獲得較清晰準(zhǔn)確的樣品表面信息。
    
    5.小結(jié)
        本文簡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、無污染和不損傷樣品在樣品加工方面存在這巨大優(yōu)勢,是其他樣品制備設(shè)備無法達(dá)到的水平。

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