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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 PART 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(focused ion beam, 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1 840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
2、1910年Thomson建立了气体 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
3、广泛的离子源是 LMIS，其源尺寸小、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(Focused ion beam , FIB)系统主要由 离子发射
4、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10 nm。被聚焦的离子束轰击
5、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
6、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
7、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 1 4 2 5 3 聚焦离子束加工的特点 图4 聚焦离子束的应用范围 PART 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(T
8、EM samplepreparation)。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，通常小于100nm传统的方法是研磨或离子束减 薄，这样会使样品制备的周期长，通常会因为过度剥离而导致制 样失败，成功率低。采用聚焦离子束技术为透射电镜制样，定位 精度高，可以通过电子束成像实时监测，省时省力，而且成功率 高。 1 离子束刻蚀 01 为了提高离子束刻蚀的速率和离子 束刻蚀对不同材料的选择性，通常在刻 蚀过程中用气体注入系统(GIS)加入一 定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其基本原 理就是用高能离子束将不活泼的辅助刻 蚀气体分子(如卤化物气体)变成活性原 子、离子和
9、自由基，这些活性基团与样 品材料发生化学反应生成挥发胜物质， 脱离样品后被真空系统抽走，从而实现 快速刻蚀该技术的最大特点是可以大幅 度提高刻蚀速率、刻蚀对材料的选择性 和图形侧壁的垂直性等。 02 2 反应离子束刻蚀 J. T aniguch等用聚焦离子束系统(FIB)的离子束辅 助刻蚀技术成功制备了单晶金刚石场发射针尖，聚焦 离子束辅助刻蚀技术对减小单晶金刚石场发射针尖的 发射区域非常重要。N.A. Paraire采用聚焦离子束刻蚀 多层膜的方法加工出了二维光子晶体，下图是二维光 子晶体在同一区域的SEM像。M.Yoshida用聚焦离子 束技术在金属薄膜上刻蚀出线宽几十纳米的沟槽。这 种直
10、接微加工技术在人工制备单电子器件、巨磁阻器 件等领域非常重要。 高能离子束诱导沉积金属膜和介质膜的基本原理就是将一 些金属有机物气体通过气体注入系统喷涂在样品上需要沉 积薄膜的区域，当聚焦离子束的高能离子作用在该区域时 就会使有机物发生分解，分解后的固体物质被沉积下来当 离子束按一定的图形扫描时，即可形成特定的三维微结构 图形，这一特点已在微机械系统的加工中得到应用。将聚 焦离子束沉积和刻蚀技术结合起来，在微米/纳米三维结构 的加工和修复中具有重要应用。比如大规模集成电路的曝 光掩膜版制作工艺复杂，周期长，成本高，对修复其中的 缺陷是必要的。可利用聚焦离子束技术的沉积和刻蚀技术 在曝光掩膜版上
11、淀积必要的部分和去除多余的部分。 3 离子束沉积薄膜 YongQi Fu等结合利用聚焦离子 束技术的刻蚀和溅射功能，加 工成型了9x9微透镜阵列，单个 透镜的直径为60um; J. Fujita利 用聚焦离子束辅助化学气相沉 积技术(FIB-CVD)精确制备出了 微米量级的三维立体结构，如 酒杯、线圈等，如图3所示。这 些成果充分体现了聚焦离子束 技术在微加工领域中的高精度 和高分辨率的特点。 图6 FIB 所加工的三维微结构图形 4 FIB 显微成像 离子束的显微成像功能是其纳米加工的重要支 撑，利用成像功能可以对加工的结果、样品形貌 和组成等信息进行表征和评价。由于聚焦离子束 的束斑直径为
12、纳米尺度，与扫描电子显微技术相 通，可以实现纳米精度的高分辨率显微成像。由 于单独的聚焦离子束系统在完成大束流加工和小 束流观察的过程中需要不断地切换束流强度，使 加工过程变得繁琐，并且增加对样品的离子束照 射损伤，所以，目前商业上常用的是聚焦离子束 与扫描电子显微镜相结合的双束系统。它兼有扫 描电镜高分辨率成像和聚焦离子束高精度加工的 功能。用扫描电镜可以对样品精确定位，并能高 分辨率观察聚焦离子束的加工结果和过程，对样 品的损伤降到了最低限度，多束系统己成为FIB装 备技术发展的主流。 图7 铜镍锌合金的二次电子显微图像对比 图8所示，铜样品的晶向对FIB加工结果 存在显著影响，特别是快速
13、扫描加工时 影响更显著。因此，离子束的显微成像 对复合材料的微观结构、组成和性能的 分析研究具有重要的价值。离子束成像 的优势在许多研究中得到了应用，例如 ，2012年天津大学微纳制造实验 (MNMT)，利用聚焦离子束显微成像对 H62黄铜的微观金相组成进行了高灵敏 探测，而同时采用EDX能谱分析却无法 探测和解释，为微机械加工中微尺度毛 刺的形成机理研究提供了重要依据。 图8 铜样品的晶向对FIB加工结果的影响 5 离子注入 6 无掩膜曝光 离子注入是利用聚焦离子束系统 (FIB)中离子能量较高的特点(数万 电子伏以上)，将离子注入基底并 与基底材料合成所需的化合物。比 如，利用合金液态金属
14、离子源(如 AuSiBe-LMIS.CoNe-LMIS)聚焦离 子束系统(配有质量分析器)可以选 择不同的离子注入(如Au. Si. B. As. Ga.In等离子) 同一样品，从而在一 定范围内形成特定的掺杂或具有特 定物化性质的薄膜。与传统工艺相 比，其分辨率高，无需掩膜，从而 简化了工艺，使无掩膜纳米级工艺 生产变为可能，而且这种微区掺杂 是其它技术不易实现的。 聚焦离子束曝光与其它曝光方式相比 ，具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性的 特点，且无需掩膜这是由于离子质量大， 在抗蚀剂中射程小、能量淀积高、散射角 小、邻近效应小、曝光时间短但是由于离 子束的偏转、消隐以及散射离子的噪声效 应，
15、很难在大而积曝光上应用，所以口前 主要用于其它曝光方式无法或难以实现的 部分曝光以及实验室中微区纳米结构加工 过程中的曝光，如微区纳米场致发射阵列 的制备等另外，离子束的剂量、能量、束 斑直径(几微米-10nm)可以调节，能满足 在同一材料上加工不同线宽、不同尺度图 形的要求，与其它工艺相比，工序大为简 化。例如，在加工金属-氧化物-半体场效 应管中，用聚焦离子束曝光，得到了 100nm的硅栅极。 由于聚焦离子束系统的离子束分辨率极高(5-7nm左右)，可以进行样品特定 范围内的微区分析。结合飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)，将高质量分 辨率和高空间分辨率的特点相结合，可以在极小的范
16、围内获得样品表而和深 层成分分布的信息，这是材料分析中有力的手段之一。聚焦离子束( FIB)与场 发射扫描电镜(FE-SEM)组合在一起的双束系统同时具备了两种设备的优势单 独的聚焦离子束系统(FIB)在完成大束流微加工和小束流观察形貌的过程中要 不停地变换束流强度，既影响了束流强度的稳定性，又延长了加工时间。在 双束系统中采用电子束成像，不但提高了成像质量，减小了对样品的损伤， 而且缩短了加工时间，避免了对离子束稳定性的影响比如，Bunbunoshin Tomiyasu将聚焦离子束系统与二次离子质谱仪结合起来(FIB-SIMS)进行三维 图形形貌分析，其横向分辨率达50nm，纵向分辨率达5nm 。 7 微区分析 Ehrenfried Zschec;h用 聚焦离子束与扫描电镜 组合(FIB-SEM)为透射 电镜(TEM)制样，成功 地分析了集成电路中铜 连线的失效问题。如图9 所示 图9 FIB 切割所得铜连线的SEM照片 PART FIB 纳米制造技术的应用 03 宏观的超精密车刀由于刀具的轮廓和尺 寸的限制，导致其在加工大深宽比微结 构时，会
