聚焦离子束微纳加工技术

聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射入离射子离注子入注入
反冲注入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射
• 入射离子在与材料中的电 子和原子的不断碰撞中， 逐渐丧失能量并被固体中 的电子中和，最后镶嵌在 固体材料中。镶嵌到固体 材料中的原子改变了固体 材料的材料的性质，这种 现象叫注入。
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
聚焦离子束系统
离子源 离子光学柱 束描画系统 X-YX工-Y件工台件台 信号采集处理单元
X-Y工件台作用：承载需要加工的镜片；移动 镜片实现扫描场的图形拼接；移动晶片实现 整个晶片上的图形描画；进行标记检测，实 现多层图形对准套刻；利用激光波长对图形 尺寸进行校正。
• 五自由度手动工件台 灵活方便，价格低廉，实验室用。
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入
反冲注入
入射入离射子离背子散背射散射 二次离子发射 二次电子发射
• 入射离子通过与固体材料 中的原子发生弹性碰撞， 被反射出来，称为背散射 离子。某些离子在发生弹 性碰撞散射前后，也可能 经历一定的能量损失。
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子注入 反反冲冲注注入入 入射离子背散射 二次离子发射 二次电子发射
• 入射离子把能量和动量传 递给固体表面或表层原子， 使后者进入表层或表层深 处。例如，通过惰性气体 离子对表面或表层的轰击， 使表面待掺杂原子进入深 层材料内，实现原子混合 注入。
光子发射 材料溅射 辐射损伤 化学变化 材料加热
+M2
5~10μm 槽深2μm
+M3
+M4 套刻对准用的“十”字标记
100~200μm
FIB扫描标记的脉冲波 形
FIB扫描标记的二次电子标记图像
源自文库
聚焦离子束与固体材料表面的相互作用
入射离子背散射 中性原子溅射
加热
+
+ +
+ +
+
二次电子发射 二次离子发射 X射线发射 光子发射
材料结晶变化
反弹注入
离子注入
集成电路制造中的三束技术
电子束技术 光子束技术 离子束技术
具有极高的分辨率，可制作最细线宽5~8nm的图形， 不能用于器件的批量生产，主要应用在掩膜的制造 和器件的直接光刻方面。
主要包括紫外光刻(0.5~0.8μm器件)、准分子激光 光刻（0.18~0.13μm器件)、极紫外光刻 (35~65nm器件)、激光图形发射器(0.2μm线宽)和 X射线光刻(90nm器件)等。
束描画系统
• 聚焦离子束加工中是利用电子束曝光中常用 的“十”字检测标记凹槽，台阶处的二次电 子远比平面上逸出多的原理来进行对准操作。
X-Y工件台
• 聚焦离子束在扫描标记成像时会腐蚀标记， 在电子束曝光系统上是不存在的。标记的腐 蚀会影响后续图形加工的套刻对准精度。
信号采信集号处采理集单处元理单元
+M1
• X-Y电机驱动工件台 灵活方便，价格低廉，便于自动控制，实 验室用。
• 激光定位精密工件台 精度高，能进行图形拼接和多层图形套刻， 能够进行大面积图形加工。
聚焦离子束系统
离子源
离子光学柱
• 对大部分双束FIB而言，扫描电子束和聚焦离 子束都能形成二次电子像。但前者成像较清 晰，后者成像对比度更优。
• 聚焦离子束加工用离子源
• 1.双等离子体离子源 • 2.气体场发射离子源 • 3.液态金属离子源
离子源 引出极 聚焦透镜 质量分析器
束闸 束对中
物镜 X-Y偏转器 气体注入口 X-Y工件台
注入系统 电子检测 移动控制 真空系统
计算机控制 系统
真空泵
聚焦离子束系统
•
双束单光柱FIB-SEM
双束双光柱FIB-SEM
• 对于合金液态金属离子源系统，必须安装离 子质量分析器，用来选择所需要的的离子， 而将不需要的元素离子阻挡掉。常用的是 E×B离子质量分析器。
N E×B 离子质量分析器工作原理
聚焦离子束系统
离子源 离子光学柱 束描束画描系画统系统 X-Y工件台 信号采集处理单元
束描画系统由图形发生器、束偏转器和束闸 组成。
聚焦离子束系统
离离子子源源 离子光学柱 束描画系统 X-Y工件台 信号采集处理单元
衡量标准：1.亮度 2.虚拟源尺寸 3.能散 4.工 作稳定性
• 双等离子体离子源 亮度约为10A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 50μm，广泛应用于微细加工领域。
• 液态金属离子源 亮度高达106A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 50~100nm，发射稳定，满足亚微米量级 要求
主要应用在：离子束刻蚀、离子束沉积、离子束诱 导沉积、离子束注入、离子束曝光和离子束材料改 性等方面。
聚焦离子束vs.常规离子束
常规离子 束技术
聚焦离子 束技术
由定向或不定向的离子流对工件表面的面状轰击来达到加工 目的的，轰击面直径可以从几毫米到几十厘米，在需要形成 图形结构的场合，常规离子束技术必须采用掩膜。
由聚焦状态的离子探针对加工表面的点状轰击来达到加工目 的的，轰击面的直径在纳米量级或微米量级。在需要形成图 形结构的场合，必须由计算机控制束扫描器和束闸来实现
• 常规离子束加工用离子源
• 1.热阴极大电流离子源 • 2.冷阴极放电离子源 • 3.高频放电离子源 • 4.双等离子体离子源 • 5.微波阴极离子源 • 6.电子束激励离子源
• 图形发生器的功能是编制要制作的图形或接 受用户的图形数据，形成FIB系统能识别的图 形数据；根据图形加工要求对图形数据晶型 处理和编制图形加工过程；控制束偏转器、 束闸和X-Y工件台进行图形加工。
• 束偏转器有静电偏转器和磁偏转器。其主要 作用是使离子束发生小角度偏转。
• 束闸通常是通过偏转离子束使其偏离安装在 交叉斑附近的束闸光阑，达到截止离子束的 目的。
• 气态场发射离子源 亮度高达109A/(cm2·sr)，源典型尺寸为 1nm，要求超高真空和低温环境。
双等离子体离子源 液态金属离子源
气态场发射离子源
聚焦离子束系统
离子源
离子离光子学光柱学柱 束描画系统 X-Y工件台 信号采集处理单元
• 离子源发射离子束进入到离子光学柱，经过 整形、质量分析，最后聚焦到工件表面。离 子光学柱中的主要部件有：静电透镜、消像 散器、束对中单元、质量分析器、静电偏转 闸和束偏转器。离子光学柱中还设置一系列 限束光阑，用来阻挡离轴较远的离子。