FIB FIB-SEM双束技术简介

1978年，加州休斯研究所建立了世界上第一个使用液态镓离子作为发射源的聚焦离子束系统。1988年，第一台聚焦离子束和扫描电子显微镜双束系统研制成功，90年代开始出现商用双束系统。随后，FIB-SEM双光束系统不断与各种探测器、微纳机械手和测试设备集成，今天已经发展成为集微区成像、处理、分析和操纵于一体的功能极其强大的综合分析表征设备。其应用范围也从最初的半导体行业扩展到材料科学、生命科学、地质等诸多领域。

双束聚焦离子束系统的基本组成和工作原理

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、束流引出系统、信号采集系统和样品台组成。离子束桶的顶部是离子源，对离子源施加强电场，提取带正电荷的离子，通过静电透镜和偏转装置的聚焦和偏转，可以可控地扫描样品。样品处理是通过在样品上轰击加速离子使其表面溅射原子来实现的，产生的二次电子和离子被相应的探测器收集起来用于成像。为了避免周围气体分子对离子束的影响，样品室和离子束桶需要在高保真空 的条件下工作，类似于扫描电子显微镜。

图1典型光纤扫描电镜双光束设备示意图

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束和电子束以一定角度安装，如图1所示。一般电子束和离子束焦平面的交点称为同心高度位置。当样品在使用过程中处于同心高度时，可以同时实现电子束成像和离子束处理，并且通过倾斜样品台可以使样品表面垂直于电子束或离子束。

离子源

离子源是双束系统的关键部件，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发展密切相关。

目前可用的离子源有:液态金属离子源；气体场电离源，比如用He+可以获得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他活性气体，可以实现宽范围的处理速率；液态金属合金离子源可以利用元素周期表中广泛的元素，可以实现纳米加工、掺杂等新功能。

离子束对加工材料的影响

入射到固体材料表面的高能离子束会产生一系列的相互作用，如图2所示。

图2离子束与固体材料的相互作用

其中二次电子、二次离子等的发射可用于成像；x射线的发射可以用来分析材料的化学成分；对于离子束加工来说，最重要的是材料表面的原子被入射离子轰击并溅射离开基底。此外，离子束辐照也会污染样品表面，主要包括聚焦离子束沉积引起的碳污染和沉积材料的污染；高能离子的入射也会对被加工材料的表面造成辐射损伤。常见的离子损伤包括离子注入、晶格损伤、晶体转变和热效应。

双光束系统的三种基本工作模式

图3聚焦离子束成像的三种工作模式；b .加工；沉积

成像

当聚焦离子束与材料表面的原子相互作用时，它可以激发二次电子和离子，这些电子和离子可以被相应的探测器收集以对材料表面成像。与电子束成像相比，用离子束扫描多晶材料时，离子束沿不同晶向的穿透能力会表现出很大的差异。基于这一原理，离子束成像可以用来分析多晶材料的晶粒取向、晶界分布和晶粒尺寸分布。

处理

聚焦离子束的加工功能是通过高能离子束与样品表面原子的碰撞来溅射表面原子，这是FIB最重要的应用。目前，聚焦离子束系统不仅可以处理简单的规则图形，还可以通过位图和流文件处理复杂图形。

沉积的

当特定气体被引入离子束辐照区时，这些气体可以在聚焦离子束的诱导下沉积在固体材料的表面。通过调整束斑尺寸、束尺寸、扫描路径和时间，可以在材料表面上沉积所需的图案或功能部件。

双光束系统具有广阔的应用前景

目前，我国双梁系统的装机容量迅速增加，在科学研究中发挥着越来越重要的作用。同时，双梁设备本身也在根据用户需求不断发展。

北京爱德万斯离子束技术研究所有限公司自主研发的离子束刻蚀机和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不仅可以刻蚀传统的微纳结构，还可以实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄的功能，还可以实现化学辅助离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。公司自主研发的离子束溅射薄膜沉积系统，材料适用性最广，沉积环境最佳，清洗功能优异，金属厚膜密度高，材料利用率高，具有辅助溅射功能。

阅读更多微机电系统行业信息，请关注:

微信微信官方账号:MEMS

新浪微博:麦克默斯咨询

微型风扇: