FIB-SEM双束技术简介
2016-12-23 20:26:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

1978年美国加州休斯研究所建立了世界上第一台利用液态金属镓(Ga)离子作为发射源的聚焦离子束( FIB)系统。1988 年第一台聚焦离子束与扫描电镜(FIB-SEM)双束系统被成功开发出来，商业的双束系统在20世纪90年代开始出现。随后FIB-SEM双束系统(简称双束系统)不断与各种探测器、微纳操纵仪及测试装置集成，并在今天发展成为一个集微区成像、加工、分析、操纵于一体的功能极其强大的综合型分析与表征设备。其应用范围也从最初的半导体行业拓展至材料科学、生命科学和地质学等众多领域。

双束聚焦离子束系统的基本构成及工作原理

双束聚焦离子束系统可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通SEM的耦合。单束聚焦离子束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台5部分构成。离子束镜筒的顶端是离子源，在离子源上加较强的电场来抽取出带正电荷的离子，这些离子通过静电透镜及偏转装置的聚焦和偏转来实现对样品的可控扫描。样品加工是通过将加速的离子轰击样品使其表面原子发生溅射来实现，同时产生的二次电子和二次离子被相应的探测器收集并用于成像。为了避免离子束受周围气体分子的影响，与扫描电镜类似，样品腔和离子束镜筒需要在高真空条件下（＜7x10^-6Pa）工作。

图1 典型FIB-SEM双束设备原理图

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如图1所示。通常称电子束和离子束焦平面的交点为共心高度位置。在使用过程中样品处于共心高度的位置即可同时实现电子束成像和离子束加工，并可以通过样品台的倾转使样品表面与电子束或离子束垂直。

离子源

离子源是双束系统中的关键部件，是产生离子束的装置。离子源的关键技术指标包括: 离子束流强度范围，离子能量范围，最小束斑尺寸，发射离子的稳定性，使用寿命等。这些技术指标往往决定了整个离子束设备的性能和加工工艺水平。因此，聚焦离子束加工系统的发展与离子源的开发密切相关。

目前可用的离子源包括：液态金属离子源；气体场离子化源，例如，用He +可获得10 nm 以下的刻蚀线；电感耦合等离子体源，通过使用惰性气体或其它活性气体可以实现大范围的加工速率；液态金属合金离子源，可利用周期表中相当大范围的元素，能够实现纳米尺度上的加工和掺杂等新功能。

离子束对所加工材料的影响

高能离子束入射到固体材料表面会产生一系列的相互作用，如图2所示。

图2 离子束与固体材料相互作用

其中二次电子、二次离子等的发射可用于成像；X-射线的发射可用于分析材料化学成分；对离子束加工而言，最主要的是材料表面原子被入射离子轰击溅射脱离基体的过程。此外，离子束辐照还会污染样品表面，主要包括聚焦离子束诱导沉积的碳污染及沉积材料的污染；而高能离子的入射也会对所加工材料的表层造成辐照损伤，常见的离子损伤包括：离子注入、晶格损伤、晶态转化及热效应。

双束系统的三种基本工作模式

图3 聚焦离子束的三种工作模式 a.成像；b.加工；c.沉积

成像

聚焦离子束在与材料表层的原子发生交互作用时，能够激发出二次电子和二次离子，这些电子或离子被相应的探测器收集后即可对材料的表面进行成像。与电子束成像相比，在使用离子束对多晶材料进行扫描时，离子束沿着不同晶向的穿透能力可表现出较大差异。利用这一原理，离子束成像可用于分析多晶材料的晶粒取向、晶界分布和晶粒尺寸分布等。

加工

聚焦离子束的加工功能是通过高能的离子束与样品表面原子撞击使表层原子溅射来实现，这是FIB 最重要应用之处。目前的聚焦离子束系统不仅可以加工简单的规则图形还可以通过位图，流文件等方式加工复杂的图形。

沉积

当在离子束照射区通入特定的气体时，在聚焦离子束的诱导下，这些气体可在固体材料表面沉积。通过调整离子束束斑尺寸，束流大小，扫描路径和时间等参数，即可在材料表面沉积出期望的图案或功能元器件。

双束系统应用前景广阔

目前双束系统的装机量在国内正在快速增长，其在科研工作中也发挥着越来越重要的作用。与此同时双束设备本身也在根据用户的需求不断的发展。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的离子束刻蚀机、离子束溅射镀膜机是非硅微纳机电制造的核心设备。其通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。公司自主研发的离子束溅射薄膜沉积系统具有最宽范围材料适用性、最佳的沉积环境、优良的清洗功能、高密度金属厚膜、高材料利用率以及辅助溅射功能。