聚焦离子束物质再分布致形变技术
2017-01-21 13:29:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

聚焦离子束技术（Focused ion beam, FIB)由于其高精度刻蚀、定点加工、实时成像等优势，常用于精密加工、TEM制样等领域。其工作机理通常为：刻蚀、沉积与成像。聚焦离子束物质再分布致形变技术（Focused ion beam material redistribution induced deformation, FIB-MRD）是一种近年开发出来的新的加工方法。

FIB-MRD技术

FIB-MRD技术利用FIB辐照所输入的高能量去引发悬浮靶结构的物质再分布，通过粒子与物质作用时的瑞利不稳定性构建纳米结构，在一定意义上扩充了聚焦离子束的应用范围。

氮化硅薄膜的弯曲现象

如果使用FIB扫描单端固支的悬臂梁，如上图所示，悬臂梁会因为沿着悬臂梁厚度的方向存在应力梯度分布，从而产生使结构里面运动的力矩，从而产生物体形变。而如果将悬臂梁两端固支的情况下对特定区域进行扫描，应力便不会以里面运动的形式释放，从而表现出其他作用，如下图所示。

两端固支悬梁臂上FIB扫描后形成的结构

此时，根据条件不同，受辐照的两端固支悬梁出现了两种现象：1 )在Si3N4和S02材料并以较低的能量和束流条件下形成直径均匀的纳米结构，如上图a所示；2)在Si、Au、Al材料上并用较高的能量和束流条件下形成直径不均匀的纳米结构，如上图b/c所示。

机理分析

辐照靶结构的高能入射FIB在同靶材料原子/分子的相互作用过程中，将把足够多的动能传递给后者。在数十皮秒的时间内，FIB辐照层内获能的靶材料原子/分子将离开它们原有的晶格位置而产生迁移，并进而造成级联迁移，同时产生大量缺陷。另一方面，系统级能量的积累将使FIB辐照层在相对更长的一段时间内经历类似于“淬火”的过程，缺陷扩散，靶材料原子/分子按照系统自由能最低原理重新分布，结构表面会变得光滑。靶结构材料在FIB的轰击下还会被不断溅射掉，这将造成结构尺寸的变化，如厚度减薄，当结构厚度减薄到 < 入射离子平均投影射程之后，离子将能够完全穿透剩余纳米靶结构，与结构中上下所有材料原子/分子发生能量交换，这时剩余纳米靶结构整体发生物质再分布，类似于一种“准液桥”在系统自由能最低原理支配下的演化。

利用FIB-MRD技术进行多样化微纳结构加工

北京大学微纳加工技术国家重点实验室的毛逸飞及其研究团队利用FIB-MRD技术进行多样化微纳结构加工研究。

多根纳米弦并行加工

利用FIB-MRD技术准并行加工多根纳米弦

上图a展示了在FIB大面积辐照下的纳米弦演变过程（Bar=500nm），图b 为单次FIB扫描同时制作出的八根纳米弦图形（Bar=500nm），图c为10nm以下的纳米弦SEM图（Bar= 100nm）。

二维纳米网孔加工

使用在薄膜上预定义二维的周期沟槽，然后进行大面积均匀的FIB扫描就可能制造出带有纳米孔阵列的薄膜。

上图为纳米孔阵列薄膜的加工过程（a~c: Bar = 1 um; d, e: Bar =500 nm）。

结论

聚焦离子束物质再分布致形变技术具有高精度、原位加工等特点，可以运用在多种加工场景。加工得到的微纳结构可应用于生物微流控系统、太赫兹通信、光学天线等领域。

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）。