聚焦离子束加工系统说明
聚焦离子束加工技术及其应用
聚焦离子束加工技术及其应用摘要：。
聚焦离子束(FIB)技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸，通过偏转系统实现微细束加工的新技术。
文章简述了聚焦离子束工作原理和应用前景等。
关键词：聚焦离子束、刻蚀1．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Ga 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1．5A／cm ，亮度达3．3×10。
A／(cm2．sr)。
这给进行亚微米JJnq-器件的研究极大的鼓舞。
聚焦离子束(FIB)技术就是在电场及磁场的作用下，将离子束聚焦列亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。
FIB技术经过不断发展，离子束已可以在几个平方微米到近lmm 的区域内进行数字光栅扫描，可以实现：①通过微通道极或通道电子倍增器收集二次带电粒子来采集图像。
②通过高能或化学增强溅射来去除不想要的材料。
③淀积金属、碳或类电介质薄膜的亚微米图形。
FIB技术已在掩膜修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜(TEM)试样制作及三维结构直写等多方面获得应用。
polymer聚焦离子束刻蚀加工
polymer聚焦离子束刻蚀加工
近年来，离子束刻蚀技术（IBA）受到了越来越多的关注。
刻蚀可以处理几乎可以用任何材料制成的晶体，这种灵活性和质量使其成为目前应用最广泛的膜制备技术。
结合电聚焦技术，能够实现高精度、低破坏的晶体加工，同时可以利用离子固体反应产生复杂形状的刻蚀表面。
重要的是，电聚焦的离子束可以大大提高刻蚀的精度和微细度，尤其在针对多孔品种，复杂型号等微细表面结构加工方面效果更加显著。
这是由于电聚焦的离子束产生的区域集中，其离子辐射度和穿透能力增大，可以更全面合理地保护晶体表面。
Polymer 聚焦离子束刻蚀加工（FIB-CMP）是一种具有良好精度和抗磨擦能力的革命性刻蚀技术。
它可以在一步完成多种材料/形状的微细零件处理，具有更高的加工速度和更低的磨损。
此外，由于刻蚀表面的表面粗糙度更低，可以更好地保证表面质量。
FIB-CMP技术具有以下优势：
1. 模块化设计：电聚焦离子束刻蚀方法可以通过组件分解达到精确加工；
2. 精确性：结合现代电脑辅助设计技术可以实现微细形状表面加工；
3. 快速率：FIB-CMP可以在非常短的制备时间内实现大规模ク加工；
4. 质量保证：利用离子固体反应，可以精确控制表面的形状，并保证其表面质量。
总之， Polymer聚焦离子束刻蚀加工（FIB-CMP）是一种拥有高精度、低破坏性特性的复杂加工技术，可以更加全面有效地利用离子束处理多种材料/形状的微细零件，从而提高应用的适应性和利益。
聚焦离子束
聚焦离子束
离子束技术是一种高精度微加工技术，通过将离子加速到高速并聚焦在微米尺度的小区域进行材料加工和表面改性。
聚焦离子束技术在材料科学、电子工程、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
在聚焦离子束技术中，离子束源首先产生并加速离子，然后通过磁透镜等聚焦装置将离子束聚焦到微米尺度。
在加工过程中，离子束的能量和大小可以被调控，从而实现对材料的高精度加工。
离子束技术具有许多优势，比如能够实现高分辨率的加工、几乎无热影响区、对光学透明材料有较好加工效果等。
这些优势使得离子束技术在制造微纳米器件、制备光学元件、表面处理等方面有着独特的应用优势。
聚焦离子束技术在微纳加工领域有着广泛的应用。
比如在芯片制造中，离子束技术可以实现对器件的精细加工和调试，提高了芯片的性能和可靠性。
在生物医学领域，离子束技术可以用于制备生物芯片、药物载体等，为生物医学研究提供了新的手段。
未来，随着人类对微纳加工精度和功能性需求的不断提高，离子束技术将会更加广泛地应用于各个领域。
同时，随着离子束技术的不断发展和创新，离子束技术也将不断地提升其加工精度和效率，为人类创造更多的可能性。
总的来说，聚焦离子束技术作为一种高精度微加工技术，在材料加工、表面改性等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断发展和创新，离子束技术将会为人类带来更多的技术创新和应用可能性。
聚焦离子束（FIB）系统结构原理和用途-驰奔的日志-网易博客
聚焦离子束（FIB）系统结构原理和用途-驰奔的日志-网易博客示意图聚焦离子束系统（FIB-focused ion beam）商业化制造已经接近30年。
最初主要供应给大型半导体制造商。
聚焦离子束FIB,利用镓离子在很高的空间分辨率下切割去除材料。
这样可以在样品特殊的位置制作剖面（断面）。
样品既可以直接在FIB 中研究，也可以转移到扫描电镜或者透射电镜中进行精细分析。
当镓离子和一定气体作用，它也有可能沉积材料。
因此FIB在很广阔的应用范围内能被用于多功能工具使用。
FIB系统的操作除了不用电子束以外和扫描电镜工作方式非常相似。
大多数FIB系统装备液态金属离子源（LMIS），加热的同时伴随一定的拔出电压，获得镓离子束。
通过一套电子透镜精细聚焦的镓离子束，在束偏转线圈的作用下，形成扫描光栅。
离子束的能量分散约为5ev，为了降低像差，在离子束光轴上设置光阑，为了消除象散，使用八级线圈作为消象散器。
如果是合金离子源，通过质量选择器来选择离子。
离子束可通过溅射对样品局部进行移除，局部沉积，也可以材料FIB 表面成像。
由于离子束加工刻蚀的图案不是连续的，因此需要Beam blanking装置。
这个和电子束曝光机中的功能是相同的。
由于电磁透镜的聚焦力直接与荷质比相关，不可能制造电磁透镜（这需要几公里的线圈）用于聚焦离子。
因此聚焦和离子束的各种操作都是采用静电透镜。
而不是用于电子的磁透镜。
最小束斑尺寸的限制：主要：由于空间电荷效应，在离子源处形成的能量分散，引起的色差。
其次：静电透镜的球面像差。
最终FIB的空间分辨率限度取决于与样品作用下的信噪比，通常为10nm。
真空系统：离子束需要真空度较高，10的负6Pa.如左图所示，镓初级离子束轰击样品表面，从样品表面溅射出少量二次离子或者中性原子，初级离子束也产生二次电子(ISE)。
当初级离子束在样品表面光栅扫描的时候，通过收集溅射离子或者二次电子(ISE)形成图像在低束流下，很少的材料被溅射，现代FIB系统，能够实现4-6nm的图像分辨率。
聚焦离子束技术
聚焦离子束技术一、简介聚焦离子束技术（Focused Ion Beam，FIB）是一种微电子束技术，它使用液态金属离子源产生离子束，然后通过一组电磁透镜将离子束聚焦到非常小的区域内。
这种技术在材料科学、半导体工程、生命科学和纳米科技等领域有着广泛的应用。
二、聚焦离子束技术的工作原理1. 离子源：聚焦离子束系统的核心是一个离子源，通常使用的是液态金属离子源。
液态金属离子源中的金属被加热到高温，使其蒸发并形成等离子体。
2. 离子提取：从等离子体中提取出金属离子，并将其加速到高速度。
3. 聚焦：通过一组电磁透镜将离子束聚焦到一个非常小的区域内。
电磁透镜可以是静电透镜或磁透镜，也可以是两者的组合。
4. 样品处理：聚焦的离子束可以用于切割、蚀刻、沉积和焊接样品。
离子束与样品的相互作用会产生二次粒子和溅射物质，这些二次粒子和溅射物质可以被用于分析样品的性质。
三、聚焦离子束技术的应用领域1. 半导体工程：聚焦离子束技术可以用于制造和修复半导体设备。
例如，可以使用FIB来切割芯片，或者修复集成电路中的缺陷。
2. 材料科学：聚焦离子束技术可以用于分析和处理各种材料。
例如，可以使用FIB来切割样品并进行元素分析，或者使用FIB来制造纳米结构和纳米器件。
3. 生命科学：聚焦离子束技术可以用于研究和操作生物样本。
例如，可以使用FIB来切割细胞或组织样本，或者使用FIB来制造纳米级的药物输送系统。
4. 纳米科技：聚焦离子束技术是纳米科技的重要工具。
它可以用于制造纳米结构和纳米器件，也可以用于研究纳米材料的性质。
5. 故障分析：FIB可以用于故障分析，通过在器件表面进行切割、刻蚀和显微观察，帮助确定电子器件中的故障位置和原因。
四、聚焦离子束技术的挑战和未来发展尽管聚焦离子束技术在许多领域都有广泛的应用，但它也面临着一些挑战。
例如，离子束与样品的相互作用会产生大量的二次粒子和溅射物质，这些二次粒子和溅射物质可能会污染样品和设备。
聚焦离子束诱导沉积_概述及解释说明
聚焦离子束诱导沉积概述及解释说明1. 引言1.1 概述离子束诱导沉积（Ion Beam Induced Deposition，简称IBID）是一种在材料表面上利用高能离子束进行沉积的先进技术。
通过控制离子束的能量、流强和轰击时间等参数，可以实现对材料表面进行局部改变并沉积出所需形状和结构的纳米材料。
该技术广泛应用于微电子器件制备、光学薄膜制备以及生物医学领域等多个领域。
1.2 文章结构本文将着重介绍离子束诱导沉积的原理、材料科学中的应用、技术发展现状与挑战以及未来的发展趋势。
下面将分别在各章节中详细阐述相关内容。
1.3 目的本文旨在全面概述离子束诱导沉积技术，并探讨其在材料科学领域中的应用前景和发展趋势。
通过系统性地介绍离子束诱导沉积技术原理和工艺流程，读者将对该技术有一个清晰全面的了解。
同时，文章还将重点讨论离子束诱导沉积在光学薄膜制备、二维材料生长和生物医学领域中的应用研究进展。
最后，文章将分析离子束诱导沉积技术当前存在的问题与挑战，并展望其未来的发展前景。
以上是“1. 引言”部分内容的详细清晰撰写，希望能对你撰写长文有所帮助。
2. 离子束诱导沉积的原理2.1 离子束诱导沉积的基本概念离子束诱导沉积（Ion Beam Induced Deposition，IBID）是一种利用离子束能量和动量传递来控制材料表面微观结构形成的技术。
该技术通过将高速离子束定向轰击目标材料表面，并在被轰击区域引起化学反应或物理相变，从而在局部区域上产生所需形态和组分的材料。
2.2 离子泵浦技术的应用示例离子泵浦技术是一种常用于真空系统中的开关设备，可实现气体压力的控制和调节。
在离子束诱导沉积过程中，离子泵浦技术被广泛应用于提供必要的低压环境，以便减少气体分子对待生成物质质量、致密度和晶格结构等性能产生不利影响。
2.3 离子束诱导沉积的工艺流程离子束诱导沉积工艺流程主要包括以下步骤：步骤1：设定离子束参数。
对于离子束诱导沉积，需要设定合适的离子种类、能量和通量等参数。
聚焦离子束——第四次组会
图二 液态金属离子源典型结构示意 图
离子光学柱
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 N 束光阑，用来阻挡离轴较远的离子。
对于合金液态金属离子源系统，必须安装离子质量分析
聚焦离子束加工技术
————杨凯旋
聚焦离子束系统 （FIB）
聚焦离子束系统在本质上与电子束曝光系统没 有什么差别，都是由电子或离子发射源、电子或 离子光柱、工作台、真空与控制系统组成。利用 电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪 器。通过离子轰击材料表面，实现材料的剥离、 沉积、注入和改性。 （1）在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源， 可使液态金属形成 细小尖端，再加上负电场牵 引尖端的金属，从而导出离子束 （2）然后通过静电透镜聚焦经过一连串然后通 过静电透镜聚焦，经过连串 可变化孔径可决定 离子束的大小，而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。 （3）离子束轰击样品，产生的二次电子和 离子 被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨
反弹注入
离子注入
离子束与材料的相互作用
（2）入射离子引起的反弹注入
入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层 原子，使得后者进入表层或表层深处。
（3）入射离子背散射
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，称作背散射离子。某些离子 也可能经历一定的能量损失
（4）二次离子发射 在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、 分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发 射出来，这些二次离子可直接引入质谱仪，对 被轰击表面成分进行分析。
sic聚焦离子束刻蚀加工
sic聚焦离子束刻蚀加工
离子束刻蚀加工技术是一种具有广泛应用前景的新型加工方法，它利用带有电荷的离子暴射在晶体表面上，在表面上形成一层层薄膜，从而实现零件表面加工的目的。
在近几年，离子束刻蚀加工技术的应用越来越广泛，并取得了良好的效果。
离子束刻蚀加工技术具有多种优点，一方面，该技术实现了解体与零件之间的相互作用，材料的切割精度高，处理的细节精度可以达到纳米量级，具有远远高于传统方法的处理性能。
另一方面，离子束刻蚀加工技术以空气为工作介质，操作简单，对环境有较高要求；此外，易于控制，有利于加工一致性。
此外，离子束刻蚀加工技术还有一些缺点，时间消耗多，工艺慢，而且因为刻蚀器的输出大小、离子的发射率和刻蚀率之间的关系是波动的，因此，加工的精度也可能令人失望。
总之，离子束刻蚀加工技术是一项复杂而先进的技术，它不仅可以实现精细加工，而且可以应用于各种材料。
未来，随着计算机技术和制造技术的发展，离子束刻蚀加工技术必定会得到进一步壮大，广泛应用于各个行业。
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20 FEI Copyright 2009
Helios NanoLab 的独特性
1. 无以伦比的成像性能－低电压 2. 最佳的离子束性能－低电压 3. 样品台的出众性能 4. 高级纳米原型设计:
• 针对电子束和离子束的16位图案生成器 • 软件嵌入式图案加工功能 • 专家级的气体注入方案
5. 更薄的样品制备，更佳的质量 6. 二维/三维表征和分析能力
350V to 30kV 0.9nm@15kV
5
Confidential
双束的应用
截面成像与分析
纳米图形加工 三维成像
6
FEI Copyright 2010
透射样品制备
电路编辑
FIB : 三种基本操作模式
1. FIB 成像 • 收集二次电子/二次离子
2. FIB 加工 • 溅射基底原子
3. FIB 沉积/增强刻蚀 • 化学反应
Helios NanoLab 的独特性
1. 无以伦比的成像性能－低电压 2. 最佳的离子束性能－低电压 3. 样品台的出众性能 4. 高级纳米原型设计:
• 针对电子束和离子束的16位图案生成器 • 软件嵌入式图案加工功能 • 专家级的气体注入方案 5. 更薄的样品制备，更佳的质量 6. 二维/三维表征和分析能力
Writing a 40μm long line with a beam having a diameter of 5nm : 12 bit
16 bit
9.76nm
24 FEI Copyright 2010
Diam. 5nm
0.6nm
FIB-Patterning – How it works
Digital Patterning Board
21 FEI Copyright 2010
双束系统样品制备的新趋势
• 新型的样品制备要求越来越多: • AFM的针尖修饰 • 原子探针样品制备 •用于机械性能测试的纳微米pillar
• Pillars for TEM tomography, etc…
• ’这些样品制备的要求和“原型制备”非常类似
•数字图像发生器 • 软件集成的图像加工能力
19 Confidential
Helios NanoLab - SidewinderTM HR-FIB
FIB大束流出众的性能
• Sidewinder “spot burns” on silicon
• Illustrating perfect spot shape (roundness) and quality (edge smoothness; small beam tails)
GaAs 纳米线
不导电的纳米片
14 Confidential
优化的截面高分辨成像
15 Confidential
Cross-sectional imaging at WD 4mm
The advantage of using DualBeam SEM/STEM
SEM
STEM
Detector
TEM
连接SEM和TEM的桥梁 STEM样品制备和SETM在同一个系统－提高产率
31 Confidential
Overview - Patterning options
Direct drawing in the UI
Small number of site-specific patterns (geometric shapes) Simple designs, easy alignment to existing structures
• 针对电子束和离子束的16位图案生成器 • 软件嵌入式图案加工功能 • 专家级的气体注入方案
5. 更薄的样品制备，更佳的质量 6. 二维/三维表征和分析能力
23 FEI Copyright 2010
On-Board 16-bit Patterning and Image Acquisition
Patterning and Image Acquisition board (PIA)
7, 10 secs
28 FEI Copyright 2010
UI Patterns – 连接纳米线
29 FEI Copyright 2010
离子束或电子束诱导沉积连线.
UI Patterns – Pt沉积阵列
30 FEI Copyright 2010
电子束诱导沉积圆形阵列
三维M FIB
Gallium
Electrons
FEI DualBeam : Quanta FEG 3D
16 .5mm
4 mm
Electron Beam
Helios NNL
Tilt axis
• FIB = 聚焦离子束 • FIB 通常使用液态镓离子源(LMIS)
• FIB and SEM优化的末级透镜设计能保证较短的工作距离，即使对大样 品也能保证从0到52º+的倾斜
GIS
FIB 3
Gas molecules
Deposited material
Volatile products
FIB 成像
• 通道衬度 • 在多晶材料中，特别是金属材料中，不同的取向
的晶粒由于离子束的通道效应会产生通道衬度，
FEI Copyr 8 ight 2009
通道衬度
Milling Functionality
Design (geometry) is broken down into discrete dwell points
16 bits DACs (X, Y, t) control beam positioning and timing – relative to field of view; Dwell time range 25ns-25ms
提供更高分辨率的SEM成像
• 薄样品里更小的交互作用区 • 如果SEM/STEM组合满足要求，可以减轻TEM工作量 • 更高分辨率的X射线面分布
16
STEM-in-SEM
SEM Sample TEM薄片
STEM 探测器
HADF
例子: 集成电路样品
BF
DF
HAADF
17 FEI Copyright 2010
Sub-surface I Beam_SE
通过使用电子束和离子束检测技术可以增加获得的信息量
10
FEITM
Helios NanoLab 的独特性
1. 无以伦比的成像性能－低电压 2. 最佳的离子束性能－低电压 3. 样品台的出众性能 4. 高级纳米原型设计:
• 针对电子束和离子束的16位图案生成器 • 软件嵌入式图案加工功能 • 专家级的气体注入方案 5. 更薄的样品制备，更佳的质量 6. 二维/三维表征和分析能力
Bitmap
Simple 3D-designs Raster scanning
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Ultimate flexibility Pixel-per-pixel control of beam trajectory
• Combines scan and acquisition in single card
• Direct response, improved robustness and reliability
• Beam steering precision: 16 bit • Better image quality (S/N)
11 FEI Copyright 2010
Helios 600－检测
SEM e-Beam
15kV: TLD-SE
i-Beam
FIB
CDEM FIB-SE FIB-SI
2-mode final lens
TLD-SE TLD-BSE
15kV: TLD-BSE
vCD
Sample
12 Confidential
Helios 600－检测
SEM e-Beam
1kV: TLD-SE
i-Beam
FIB
CDEM FIB-SE FIB-SI
2-mode final lens
TLD-SE TLD-BSE
1kV: TLD-BSE
vCD
Sample
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Helios NanoLab - ElstarTM UHR SEM
6.5nA
21nA
3 ms 5 ms 10 ms 17 ms 30 ms 53 ms 94 ms 166 ms 0.3 s 0.5 s 0.9 s 1.6 s 2.8 s 5.0 s 10 ms 17 ms 30 ms 53 ms 94 ms 166 ms 0.3 s 0.5 s 0.9 s 1.6 s 2.8 s 5.0 s
Bitmap Simple 3D-designs Raster scanning
Stream files
Ultimate flexibility Pixel-per-pixel control of beam trajectory
Scripting
Automated generation of larger number of UI-style patterns
3
双束的主要应用
• 扫描电镜的成像与分析 • 聚焦离子束成像 • 准确定位的截面制备 • 纳米图形加工 • 连续截面加工的成像分析 = “3D” 应用 • TEM 样品制备 • 电子线路编辑(DE) = Circuit Edit (CE) = Microsurgery = 芯片修复
4
FEI Copyright 2010
26 FEI Copyright 2010
刻蚀加工 – small structure