聚焦离子束技术的研究进展

聚焦离子束技术的研究进展

自该发明以来，聚焦离子芯片技术已广泛应用于照明芯片的制造、性能分析等领域。FIB技术的传统优势在于纳米尺度局域化的原位“定点加工”及实时观测。Fuet等此外,通过控制聚焦离子束的扫描区域与剂量,可对微纳结构进行操控。LianJie等本文综述了近些年基于FIB的两种新的加工方法,包括FIB应力引入致形变技术(FIB-stressinduceddeformation,FIB-SID)本文第一章将阐述FIB-SID技术进展。从氮化硅悬臂梁弯曲的实验现象开始讨论,简要分析其应力引入机理,重点阐述通过该应力引入机制成型多样化微/纳构件。第二章将详细论述FIB-MRD的研究近况。从金属与介质纳米弦成型的实验现象开始分析,简述物质再分布以及瑞利不稳定性理论,重点描述利用FIB-MRD加工多样化、光滑、悬浮的纳米结构。第三章对全文进行总结。1菲比-sid技术在实验过程中发现,Ga1.1离子辐照fib作用方式在对氮化硅薄膜进行FIB刻蚀实验的过程中偶然发现,FIB刻蚀会造成悬臂梁弯曲,如图1所示。在氮化硅悬臂梁的一端进行离子束轰击时,悬臂梁发生弯曲,当入射剂量一定,悬臂梁的弯曲角呈现90°。随后对金属铝悬臂梁随离子辐照剂量的关系做了研究,图2a为FIB作用方式。从图2b中可以清楚地看出,随着FIB剂量的增加,铝悬臂梁首先向下弯曲,在一定的剂量的时候向下弯曲角度到达极值,然后慢慢恢复,最后翘起。图2b各小图相应的FIB辐射剂量标于相应图片的上方,其剂量是使用FIB电流、辐照面积和辐照时间计算得来。1.2入射能量的变化使用15~30keV的Ga图3所示为铝悬臂梁弯曲角度随FIB入射剂量和入射能量变化的测量曲线。由图可见在FIB的作用下首先向下(背离离子入射的方向)弯曲,随着剂量的增加又开始向上(朝向离子入射的方向)弯曲。从曲线中可以看出大的入射离子能量导致了更快的弯曲速度。1.3基于fib-sid的加工方法和结构准备1.3.1梁结构图形化定义图4显示在绝缘衬底的硅片上溅射一层金属膜;对其光刻图形化定义出梁结构图4a;随后先后采用各项异性(图4b)与各向同性(图4c)的反应离子刻蚀,将梁悬浮起来,得到后续FIB加工所需悬臂梁样品。1.3.2悬臂梁弯曲结构如图5a所示,(给出了聚焦离子束加工的各参数的示意)用聚焦离子束刻蚀两端固定的悬臂梁;从一端刻断,形成具有一端是自由端,另一端是固定端的悬臂梁结构。对上述所得悬臂梁结构进行离子刻蚀,离子刻蚀由聚焦离子束系统上的电脑操作控制。从悬臂梁自由端到固定端以均匀间距为标准,依次在悬臂梁上设置刻蚀区域。从悬臂梁的自由端上第一个刻蚀区域1开始刻蚀,刻蚀区域1内的悬臂梁在被刻蚀后以一定的曲率弯起,随着由自由端刻蚀区域1到刻蚀区域7的依次刻蚀,带动整个悬臂梁的卷曲形成螺旋结构。如图5中的b、c所示,单次聚焦离子束应力引入所致结构弯曲的角度、聚焦离子束应力引入的刻蚀次数t、聚焦离子束扫描的间距l以及聚焦离子束扫描倾斜的角度θ。通过控制聚焦离子束的注入剂量Q,可以精确控制悬臂梁1弯曲的角度α,通过控制聚焦离子束的刻蚀条件,可以得到螺旋结构的结构参数,如下公式所示:t次刻蚀之后,聚焦离子束导致的螺旋结构的弯曲圈数n为:螺旋结构的直径D为:螺旋结构的螺距P为:如果聚焦离子束使悬臂梁结构向上卷曲,螺旋的加工需要考虑向上弯曲的结构会对离子束有所阻挡。注射剂量Q较小时,悬臂梁背向离子束方向弯曲(即悬臂梁向下弯曲),随着注射剂量Q的增大,悬臂梁逐渐由背向离子束方向开始向面向离子束方向弯曲,最大角度可达70°。通过合理选择注入剂量Q,可以精确控制其向下弯曲角度。1.3.3半径渐变微/纳金属螺线管的加工通过选择入射离子束的剂量,可以控制悬臂梁的弯曲方向,进而制备出弯曲方向不同的微纳螺旋,如图6所示。图6a为向上弯曲金属螺旋,图6b为向下弯曲金属螺旋。与此同时,通过调控每次刻蚀的深度,可以加工出半径渐变的螺旋结构,如图6c所示。另外,通过FIB-SID可以实现结构的精确控制。图7a给出的微纳金属螺线管的半径分别为1.1μm,1.7μm,2.4μm,3.5μm。同一批次的螺旋误差可以控制在10%以内,从图7b中可以看到,每个螺旋的形貌几乎完全相同除上述微纳螺旋外,通过合理设计预置图案,可以得到多样化的微纳结构。图8(a~d)分别为微米立方结构,双螺旋结构,发条结构以及正弦波纹结构。2fib-mrd技术特点加工光滑表面悬浮纳米结构的技术方法—FIB物质再分布致形变(FIB-material-redistributioninduceddeformation,FIB-MRD)技术。该技术利用FIB辐照所输入的高能量去引发悬浮靶结构的物质再分布,通过瑞利不稳定性原理所控制的结构形态变化,既造成新结构成型,同时又造成新结构表面光滑。该技术方法的操作特点是FIB大面积扫描与纳米尺度局域化定点加工相结合。FIB有其独特的优势,主要表现在加热和冷却的时间都极短、可以大面积扫描、并且可以原位观测。悬浮的材料也使结构有更高的演化自由度。使用该方法加工出来的结构有表面光滑,超精细等特点。2.1在特定区域进行扫描在前面章节中介绍到,如果使用FIB扫描单端固支的悬臂梁,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。而如果将悬臂梁单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。此时FIB的辐照方式如图9所示。此时,根据条件不同,受辐照的双端固支悬臂梁出现了两种现象:(1)在Si2.2悬臂梁/点引导下的生物能FIB-MRD的作用机理如下: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。从图10a中可以看出悬臂梁的界面形状从梯形逐步变化为圆形。刚刚通过FIB刻蚀加工出来的悬臂梁截面(未经辐照的状态)近似为梯形(图10a(1)),梯形的斜面是FIB直写的时候其离子束斑大小,而30keV的Ga2.3表面悬浮设备的加工方法和结果分析2.3.1材料薄膜的制备在使用FIB直写悬臂梁之前,需要使用常规的MEMS工艺进行特定材料的悬浮薄膜加工。由于多晶和无定形的材料薄膜可以通过化学气相淀积(chemicalvapordeposition,CVD)、溅射或者氧化的方法得到,然后使用KOH套背腔的方式,整个过程如图11所示。第一步淀积薄膜,SiO2.3.2出最细处直径在Si图13a为在纳米弦最细处的TEM像,可看出最细处直径约为7nm。图13b为FIB继续扫描后,由于应力和溅射的作用,最细处断裂,形成针尖对,针尖尖端处直径约4nm,间距约30nm。2.3.3多根悬臂梁模型在加工过程中,发现可以通过扩大FIB辐照区域,一次性扫描覆盖多个预置的初始结构图形(图14),如多根悬臂梁,同时引发它们的物质再分布,从而实现准并行加工。图15显示了应用FIB-MRD技术并行制造多根纳米弦时的结构演化过程,其中FIB扫描覆盖了各幅图的所见范围。这表明FIB-MRD加工原理有移植到常规离子束工艺上的潜力。2.3.4fib-mrd原理由上述图9b和9c可以看出,在FIB致物质再分布自由演化的情况下,形成的结构不一定很规则、均匀,这是瑞利不稳定性原理作用的结果。如果通过在初始结构上预刻蚀一些“缺陷”图形,人工制造出瑞利不稳定的初始条件,就可以按照某种设计加工制造纳米结构,以此还可以验证FIB-MRD原理的正确性。图16展示了在悬臂梁上预置一维周期性纳米“缺陷”图形后,再进行FIB扫描辐照所得到的比较规律的悬浮纳米点串结构。图16a预定义图形的周期从上到下分别是0.10μm、0.15μm、0.20μm、0.25μm、0.35μm和0.45μm;图16b为FIB辐照后所对应的演化结果;图16(c,d)表明了不对称的预定义图形在FIB作用下会演化为对称的结构。结果说明:(1)预定义图形的周期远比增长最快扰动波长(fastgrowingwavelength,FGW)小的时候,扰动呈现出负的增长速度,即得到的最终图形同预定义图形没关系,从而最终得到了一个均一的线;(2)预定义的图形周期和FGW大致相同的时候,悬臂梁会演变为近似完美的正弦状纳米点阵列;(3)预定义的图形周期远大于FGW的时候,悬臂梁会演变为被纳米弦连接起来的纺锤形质量块。2.3.5纳米网孔薄膜的增强本文在讨论中已经介绍了带有预定义结构的悬臂梁会变为纳米点阵列,而预置二维的扰动会引起二维的波动,其原理类似。因此,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。在FIB的持续扫描作用下,纳米孔会在两个沟槽相交的点上首先破裂,然后迅速增大,最后纳米孔阵列会在FIB于合适的时间停止扫描后制备完成。本文做了两组实验,分别进行两个不同的预制图形周期,分别为600nm(图17a)和200nm(图17b)。结果显示,600nm周期的预置沟槽最终演变为纳米孔阵列,而200nm周期的纳米孔沟槽在扫描的过程中消失了,且最终薄膜随机的破裂。这是由于初始的扰动<FGW,因此被湮灭了,这和一位预置图形的实验以及理论是符合的。图17c展示了薄膜还可以通过FIB-SID的方法立起,从而可以进行更为复杂的三维结构加工。在平行于纳米孔薄膜的方向上观察(图17d),可明显地看到有近似正弦形式的波动。最后,通过调整试验参数得到一个面积为5μm×5μm的硅纳米孔薄膜。3微纳结构的制