聚焦离子束报告

1、2021/3/111合肥工业大学合肥工业大学仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院朱国乾朱国乾5643546789098756435467890987聚焦离子束聚焦离子束加工技术加工技术2013.1.42021/3/112主要内容主要内容 FIB发展简介 FIB结构及原理介绍 FIB加工技术的应用 FIB加工技术的特点 FIB发展趋势图1.FIB整机设备2013.1.42021/3/113FIBFIB技术发展历史技术发展历史 1970 1970: :Levi-Setti等人发明了第一台基于场致发射技术的FIB系统(气态离子源）. 19781978: :Seliger et al发明了基于

2、液态离子源的FIB系统，从而使FIB技术走向实用化.液态离子源发展历史液态离子源发展历史 1600 1600：Gilbert 提出液体在高张力下可形成圆锥体. 1914 1914：Zeleny 观察并记录下了锥尖发射离子之现象. 1959 1959：Feynman 提出了离子束的应用. 1964 1964：Taylor建立了精确的锥尖电子流体力学方程. 1975 1975：Krohn and Ringo制造出了第一个高亮度液态离子源. 注：源于维基百科基本介绍基本介绍2013.1.4合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院2021/3/114聚焦离子束系统聚焦离子束系统1.离子柱离子柱2.样品室样

3、品室3.成像系统成像系统液态离子源（液态离子源（LIMSLIMS）离子束控制系统离子束控制系统样品台样品台探测器探测器气体注入系统气体注入系统聚焦离子束系统框图聚焦离子束系统框图收集二次电信号收集二次电信号2013.1.42021/3/115FIB工作原理工作原理图2.FIB系统结构示意图 FIB是利用透镜将离子束聚焦成极小尺寸的显微加工技术，目前均采用液态金属离子源。图2是FIB系统结构示意图。 在离子柱顶端加上激发电场和牵引电场，可以导出离子束，通过静电透镜聚焦，限束孔，再用质量分析器筛选出所需离子种类，最后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描轰击，产生的二次电子和离子被收集成

4、像或用以切割研磨。金属腔体和离子泵系统须在高真空条件下( 小于7105Pa) 。2013.1.42021/3/116图3.离子溅射示意图2013.1.42021/3/117FIBFIB加工技术的应用加工技术的应用 集成电路芯片的诊断与修改 修复光刻掩膜缺陷 制作透射电镜样品 多用途微切割工具2013.1.42021/3/118集成电路芯片的诊断与修改集成电路芯片的诊断与修改 IC芯片通常包含几百万甚至上亿个晶体管及其连线，线路系统中难免会有疏漏差错，电路设计一旦变成实际的芯片就无法再改变。运用FIB的溅射与沉积功能，可以将某一处的连线断开，或将断开的部分连接起来。图4.IC芯片诊断与修复201

5、3.1.42021/3/119修复光刻掩膜缺陷修复光刻掩膜缺陷 掩模缺陷主要有两大类：遮光缺陷与透光缺陷。这些缺陷在集成电路曝光过程中会转移到硅片上变成电路缺陷，最终导致集成电路失效。FIB修补遮光缺陷的原理就是离子溅射。图5.光刻掩模板2013.1.42021/3/1110制作透射电镜样品制作透射电镜样品图6.FIB溅射形成的TEM样品 无论TEM还是STEM都需要制作非常薄的样品，以便电子穿透样品，形成电子衍射图像。利用FIB 从两个方向溅溅射射，中间留一个薄区域即可实现，图示为TEM观察到的样品,厚度为100nm100nm。2013.1.42021/3/1111多用途微切割工具多用途微切

6、割工具图7.FIB铣削微刀具实验平台图8.FIB铣削的矩形微刀具的SEM照片右图示铣削微刀具的实验平台，双束系统，离子束工作电压530kV，电流1pA20nA，离子束最小直径5nm5nm。样品台参数：x、y、z轴方向上的运动范围为50mm50mm25mm重复精度为2m，可连续旋转n360，倾斜角度从-15到60最小转角为107 rad。在加工过程中所使用的镓离子束的能量为30keV，束流为3nA刀具的宽度为7.65m，高度为15.42m，前角为0，主后角为15.9，侧后角为4.5使用白光干涉仪在7.59m 的测量范围内测得刀具前刀面的粗糙度为6.76,nm通过SEM 测得刀具刃口刃口圆弧半径的

7、最大值约为30nm30nm2013.1.4合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院2021/3/1112FIBFIB特点特点一一.离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法之一，是纳米加工技术的基础。二二.污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。三三.加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。四四.离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，应用范围受到一定限制。2013.1.42021/3/1113发展趋势发展趋势一一.FIBFIB与扫描电子显微镜的组合与扫描电子显微镜的组合 这种组合可以实现边加工边观察效果，从而大大提高了成像

8、质量, 而且也将观样品的损伤降到了最低限度, 同时避免了FIB 反复变换束流强度所带来的误差误差。二二.FIBFIB与二次离子质谱仪的结合与二次离子质谱仪的结合 这种组合能在FIB 进行缺陷观测、样品制备、失效分析工作的同时实现样品或杂质颗粒的成分成分分析分析。2013.1.42021/3/1114FIBFIB- -MBEMBE组合装置组合装置三三.FIBFIB- -MBEMBE组合装置组合装置 首先利用MBE生长出原始薄膜，经中间处理，最后用FIB研磨加工膜片。这样既可加工出高质量、低污染的表面，又可用于光电子和量子阱器件的三维纳米结构加工。四.单轴聚焦离子单轴聚焦离子/ /电子束电子束(FIEB)(FIEB)装置装置 发射端金属融化融化后是一个液态金属离子源，可发射离子束；冷却凝固凝固后后可作为场发射电子源。通过调整高电压的正负方向来决定发射离子或电子。FIEB系统比传统两轴分开的系统更具潜力，是更简单且节省成本的一种方式。2013.1.42021/3/1115 结