离子束加工技术
离子束加工技术
1 离子束溅射技术的发展
离子束溅射沉积干涉反射膜的进展可总结为［２］:
* 1976 年之前，一般干涉反射膜反射率R>99%；
* 1976 年离子束溅射干涉膜（淀积技术突破），反射率R=99.9%；
* 1979 年离子束溅射干涉膜（测量技术突破），反射率R=99.99%；
* 1983 年离子束溅射干涉膜损耗降到60ppm, 反射率R=99.994%；
* 1988 年离子束溅射干涉膜损耗降到10ppm 以下, 反射率R=99.999%；
* 1992 年离子束溅射干涉膜损耗降到1.6ppm, 反射率R=99.99984%；
* 1997 年离子束溅射干涉膜用于ICF 三倍频激光反射镜实验，351nm 波长激光(脉冲)损伤阈值达20J/cm2；
* 1998 年离子束溅射干涉膜用于ICF 基频激光反射镜实验，得到了1060nm 波长激光（脉冲）损伤阈值
达50J/cm2，吸收损耗小于6ppm 的实验结果。
在国内，对离子束溅射技术的研究非常少，在很多领域几乎接近于空白，根据国家和时代的需要，这项技
术的研究在国内变得尤为迫切。
2 离子束溅射技术的原理和特征
2.1 离子束溅射技术
在比较低的气压下，从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击离子的能量大约为
1keV，对靶材的穿透深度可忽略不计，级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中，大量的原子逃离
靶材表面，成为溅射粒子,其具有的能量大约为10eV 的数量级。由于真空室内具有比较少的背景气体分子，
溅射粒子的自由程很大，这些粒子以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。由于大多数溅射粒子具有
的能量只能渗入并使薄膜致密，而没有足够的能量使其他粒子移位，造成薄膜的破坏；并且由于低的背景
气压，薄膜的污染也很低；而且，冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒的生长在薄膜内的扩散。因此，在
基板上可以获得致密的无定形膜层。在成膜的过程中，特别是那些能量高于10eV 的溅射粒子，能够渗入
几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过度层。有的
轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射，然后，它们以几百电子伏的能量撞击
薄膜，高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力
2.2 双离子束溅射技术
对于大多数光学应用，主离子源和上面描述的单个离子源的功能相同，辅助离子源有下面描述的补充功能：(1) 基片的清洗和修整(2) 吸收的改善和薄膜的修整(3) 化学计量比的调整
3 应用前景
目前，离子束溅射技术的应用领域不断
地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、χ射线等范围。到1992 年，国外已
运用离子束溅射技术获得了反射率接近六个九的超低损耗高反射激光镜。离子束溅射技术在光纤、计算机、
通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域也即将发挥其强大的作用。尤其信息时代的到来，光纤通讯发
挥了越来越大的作用，对于光纤通信容量的要求也越来越大，其中关键的器件就是波分复用器，而离子束
溅射技术正是研制、开发波分复用器的优选技术方案。可见，离子束溅射技术在将来一定有着更加广阔的
应用前景，引起人们的更加重视。
4 离子束刻蚀工艺
离子束刻蚀技术的一个很重要的物理参数
是溅射率。它表征着每一个入射离子打出的原子数。
刻蚀速率与离子束能量、
束流大小、离子束轰击表面的入射角以及被加工
材料的原子结构、晶向等许多因素有关。
4. 1 不同材料的刻蚀速率
由于离子束刻蚀装置中采用了中和灯丝, 可
中和Ar + 离子的正电荷, 使正离子束变成中性
束。以这种高能的中性束轰击被刻蚀基片而实现
刻蚀加工, 所以对材料无选择性, 金属非金属均
可刻蚀。只是不同材料的刻蚀速率不一样。
表1 几种常用材料的刻蚀速率
材料名称Au Pt W S i SiO2
刻蚀速率/ nm·m in- 1 66. 0 33. 0 16. 0 16. 0 10. 0
4. 2 离子能量对刻蚀速率的影响
刻蚀速率直接与轰击基片的离子能量有关。随着电压
的增加, 离子能量增加, 刻蚀速率增加。
4. 3 束流大小对刻蚀速率的影响
随束流增加刻蚀速率增加。
4. 4 离子束刻蚀的其它应用
对化学研磨、电介研磨难以减薄的材料
的减薄。具有
微分分析样品的能力, 并适应进行精密加工。
5 离子束抛光的基本原理
将导电的工件放在密闭环境中加负偏压, 在高真空环境下
通入一定量的惰性气体( 如氩气) , 并使其进行电离生成带正电
荷的离子。带正电荷的离子在电场作用下加速运动, 并近似沿零
件表面的法向方向轰击零件, 将零件表面的原子碰撞出去从而
实现零件表面的微量去除, 达到提高零件表面形状精度的目的。
设带正电荷离子的电荷量为q, 质量为m, 初速度为零, 所
处电场的强度为E, 则其加速度a:
a= q·E
m
显然, 正离子的飞行时间越长, 轰击零件表面时的速度就越
高, 传递给零件原子的动能也越大, 相应的去除量就大。
6 离子束抛光工艺过程
光学设计，计算近似面，光学车间加工，测出矩阵误差，确定离子束的位置和停留时间，离子束加工，完成光学零件。
7 离子束抛光的优缺点
1 . 加工精度高
、光洁度好2 . 提高非球面光学零件的加工效率, 降低
加工费用。用3 . 工艺性能广泛。往. 加工零件的表面结构好
。5 . 缺点: 设备制造费用大, 需耍应用计算
机
、高其空设备、
高精度干涉仪等现代化装置
8 离子束抛光的典型应用
1 . 高精度非球面光学零件的抛光
2 . 离子末抛光提高高能激光反射镜的镀膜
牢固度和反射镜的工作性能。
3 . 离子束抛光提高激光工作物质的性
能
4 . 离子束抛光加工光栅等
9 离子束注入技术
通常, 金属零件进行表面淬火处理需在10 0 F 高
温下进行, 这将可能导致零件变形, 而采用离子束注
人技术, 操作温度一般仅需3 0 F. 目前, 离子束注
入己发展到可同时将三种不同元素注入基体金属表面。
这种方法还能用于修补陶瓷的表面裂缝
以及用于对其它金属进行表面涂复处理。
但由于目前离子束处理的费用还较高, 处理每平方厘米需0
.
1 5~ 1 美元, 因此在近期尚不能进入商业性
应用。
离子束加工原理特点及其应用研究
本科课程论文 题目离子束加工原理特点及其应用研 究 学院 专业机械设计制造及其自动化 年级2012 学号 姓名 指导教师 成绩
2014年12 月10 日 目录 1 前言 (1) 2 离子束加工的原理 (2) 3 离子束加工的优缺点 (3) 3.1离子束加工的优点 (3) 3.1.1加工精度高 (3) 3.1.2污染少、无氧化 (3) 3.1.3对材料影响小 (3) 3.2离子束加工的缺点 (3) 4 离子束加工的分类 (3) 4.1离子蚀刻 (3) 4.2离子溅射沉积 (3) 4.3离子镀 (4) 4.4离子注入 (4) 5离子束加工的主要应用 (4) 5.1刻蚀加工的定义及具体应用领域 (4) 5.1.1刻蚀加工的定义 (4) 5.1.2刻蚀加工的应用领域 (4) 5.2离子镀膜加工的定义及具体应用 (4) 5.2.1离子镀膜加工的定义 (4) 5.2.2离子镀膜加工的具体应用 (5) 5.3离子注入加工的定义及具体应用 (5) 6离子束加工应用现状 (5)
7结语 (5) 参考文献 (6)
离子束加工原理特点及其应用研究 摘要:本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。 关键词：离子束加工原理分类现状 1 前言 特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米
聚焦离子束技术
第四章 聚焦离子束技术（FIB）
本章主要内容 4.1 FIB系统介绍 41FIB 4.2 FIB-SEM构造及工作原理 4.3 离子束与材料的相互作用 4.4 FIB主要功能及应用 参考书：顾文琪等，聚焦离子束微纳加工技术，北京工业大学出版社，2006。参考书：顾文琪等聚焦离子束微纳加工技术北京工业大学出版社2006。
41FIB 4.1 FIB 系统介绍 (Focused Ion beam FIB)聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的 系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪器。通过荷能离子轰击材料表面实现材料的剥离沉积轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入和改性。 目前商用系统的离子束为液相金属离子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS) 金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力。 即离子束+Zeiss Auriga FIB Zeiss Auriga FIB--SEM system 现代先进FIB 系统为双束，即离子束+ 电子束（FIB+SEM ）的系统。在SEM 微观成像实时观察下，用离子束进行微加工g y 加工。
FIB技术发展史 FIB加工系统的发展与点离子源的开发密切相关 系展 1950s：Mueller发明气体场发射离子源（GFIS）； 1970s：GFIS应用到聚焦离子显微镜（FIM）； 1974-75：J. Orloff 和L.W.Swanson分别将GFIS应用于FIB。此时的(p) GFIS束流低(10pA),分辨率约50纳米； 1974：美国Argonne国家实验室的V.E.Krohn 和G.R.Ringo发现在电场作用下毛细管管口的液态镓变形为锥形，并发射出Ga+离子束； 1978：美国加州休斯研究所的R.L.Seliger等人建立了第一台Ga+液态金属离子源的FIB系统，束斑直径100nm，束流密度1.5A/cm2，亮度达62 3.3x10A/（cm.sr），束能量57keV； 1980s：商品型FIB投入市场，成为新器件研制、微区分析、MEMS制作的重要手段； 1980s-90s：开发出SEM-FIB双束、FIB多束、全真空FIB联机系统。
离子束加工原理
离子束加工原理 离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 2.离子束加工特点 加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。 在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。 加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。 2）离子溅射沉积 采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。 3）离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。4）离子注入 用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如
离子束加工技术
离子束加工技术 1 离子束溅射技术的发展 离子束溅射沉积干涉反射膜的进展可总结为［２］: * 1976 年之前，一般干涉反射膜反射率R>99%； * 1976 年离子束溅射干涉膜（淀积技术突破），反射率R=99.9%； * 1979 年离子束溅射干涉膜（测量技术突破），反射率R=99.99%； * 1983 年离子束溅射干涉膜损耗降到60ppm, 反射率R=99.994%； * 1988 年离子束溅射干涉膜损耗降到10ppm 以下, 反射率R=99.999%； * 1992 年离子束溅射干涉膜损耗降到1.6ppm, 反射率R=99.99984%； * 1997 年离子束溅射干涉膜用于ICF 三倍频激光反射镜实验，351nm 波长激光(脉冲)损伤阈值达20J/cm2； * 1998 年离子束溅射干涉膜用于ICF 基频激光反射镜实验，得到了1060nm 波长激光（脉冲）损伤阈值 达50J/cm2，吸收损耗小于6ppm 的实验结果。 在国内，对离子束溅射技术的研究非常少，在很多领域几乎接近于空白，根据国家和时代的需要，这项技 术的研究在国内变得尤为迫切。 2 离子束溅射技术的原理和特征 2.1 离子束溅射技术 在比较低的气压下，从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击离子的能量大约为 1keV，对靶材的穿透深度可忽略不计，级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中，大量的原子逃离 靶材表面，成为溅射粒子,其具有的能量大约为10eV 的数量级。由于真空室内具有比较少的背景气体分子， 溅射粒子的自由程很大，这些粒子以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。由于大多数溅射粒子具有 的能量只能渗入并使薄膜致密，而没有足够的能量使其他粒子移位，造成薄膜的破坏；并且由于低的背景 气压，薄膜的污染也很低；而且，冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒的生长在薄膜内的扩散。因此，在 基板上可以获得致密的无定形膜层。在成膜的过程中，特别是那些能量高于10eV 的溅射粒子，能够渗入 几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过度层。有的 轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射，然后，它们以几百电子伏的能量撞击 薄膜，高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力
电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工 电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。 第一节电子束加工 一、电子束加工的原理和特点 (一)电子束加工的原理 如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。 (二)电子束加工的特点 1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1μm。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。 2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒 钟可以在2。5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。 4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行 直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。特别是在电子束 曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。 在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲 面弧形切割等。 5)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面 不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度 要求极高的半导体材料。 6)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵， 生产应用有一定局限性。 二、电子束加工装置 电子束加工装置的基本结构如图6—2所示，它主要由电子 枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 (一)电子枪 电子枪是获得电子束的装置。它包括电子发射阴极、控制栅 极和加速阳极等，如图6-2所示。阴极经电流加热发射电子，带 负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中， 经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。
基于聚焦离子束注入的微纳加工技术研究
第28卷第1期2009年2月 电 子 显 微 学 报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society Vol 28,No 12009 2 文章编号:1000 6281(2009)01 0062 06 基于聚焦离子束注入的微纳加工技术研究 徐宗伟1,2 ,房丰洲 1,2* ,张少婧1,陈耘辉 1 (1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津市微纳制造技术工程中心,天津300072; 2.天津微纳制造技术有限公司,天津300457) 摘 要:提出了聚焦离子束注入(focused ion beam implantati on,FIBI)和聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀(gas assisted etching,GAE)相结合的微纳加工技术。通过扫描电镜观察FIBI 横截面研究了聚焦离子束加工参数与离子注入深度的关系。当镓离子剂量大于1 4 1017i on cm 2时,聚焦离子束注入层中观察到均匀分布、直径10~15nm 的纳米颗粒层。以此作为XeF 2气体反应的掩膜,利用聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀(FIB GAE)技术实现了多种微纳米级结构和器件加工,如纳米光栅、纳米电极和微正弦结构等。结果表明该方法灵活高效,很有发展前途。关键词:聚焦离子束(FIB);离子注入;气体辅助刻蚀(GAE);微结构中图分类号:TH73;TH74;O59 文献标识码:A 收稿日期:2008 11 19;修订日期:2008 12 16 基金项目:高等学校学科创新引资计划资助(B07014). 作者简介:徐宗伟(1978-),男(满族),辽宁人,博士后.E mail:zongwei xu@163.c om.*通讯作者:房丰洲(1963-),男(汉族),黑龙江人,教授.E mail:fzfang@https://www.docsj.com/doc/5f8713851.html,. 聚焦离子束(focused ion beam,FIB)加工技术在 微纳米结构的加工中得到广泛的应用[1,2] 。聚焦离子束系统不仅能够去除材料(铣削加工),还具有添加材料(离子注入和沉积)加工的能力。离子注入是采用高能离子轰击样品表面,使高能离子射入样品,入射离子通过与工件中的原子碰撞,逐渐失去能量,最后停留在样品表层。对聚焦离子束注入损伤的显微研究目前普遍使用的是透射电子显微镜[3] 。透射电子显微镜具有分辨率高的优点,但透射电镜样品的制备难度较大。 与传统的掩模注入法相比,运用聚焦离子束系统进行定点离子注入,不仅大大节省成本,还可节约加工时间[4] 。聚焦离子束离子注入已被尝试应用于纳米结构和器件的加工研究,主要方法是利用FIBI 层作为掩膜,结合湿法刻蚀[5] 或反应离子深刻蚀 [6] 。 利用FIBI 和KOH 溶液湿法刻蚀的加工方法,可在硅基底上加工纳米悬臂梁。FIBI 还可以用来增强聚合物材料的抗刻蚀性 [1] 。目前FIBI 结合后续的湿 法刻蚀及反应离子刻蚀的方法将刻蚀除离子注入区域外基底所有其它位置,无法实现在局部位置的刻蚀加工,限制了离子注入技术的应用。 本文首先研究了聚焦离子束加工参数对离子注入深度的影响规律,以及聚焦离子束离子注入层作为蚀刻掩膜时离子束照射剂量的临界值。提出了聚焦离子束离子注入结合聚焦离子束XeF 2气体辅助刻蚀加工微纳结构的方法,实现了纳米光栅、纳米电 极和准三维复杂结构的微纳结构和器件的加工。 1 实验 使用FIB SE M 双束系统(FEI Nova Nanolab 200)对Si(100)基底进行离子注入。FE SE M 的图像分辨率为1 1nm,而聚焦离子束束斑直径可小至5nm 。系统使用镓离子作为离子源,加速电压为5~30kV,工作电流为1pA~20nA 。 2 FIBI 的显微组织研究 2 1 离子注入深度研究 利用聚焦离子束对FIBI 层进行切截面加工,然后用场发射扫描电镜对离子束注入截面进行观测,如图1a 所示。图1b 所示是对聚焦离子束注入层的横截面高分辨率观察结果。聚焦离子束工作参数为30kV 30pA,加工区域为2 m 2 m 。如果离子束照射剂量大于7 0 1016 ion cm 2 ,在离子注入层的横截面上会出现直径10~15nm 的纳米颗粒。当离子束照射剂量较小时,离子注入层厚度随加工时间的增加而增大;当离子束照射剂量增加到一定程度,离子铣削和离子注入达到动态平衡,离子注入层的厚度趋于稳定。 图1b 反映了离子注入层深度可通过离子注入层横截面测量得到。为避免聚焦离子束加工再沉积对测量结果的影响,以注入层最上面到最下面的纳米级颗粒间的距离作为离子注入深度,对加速电压
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。 2．聚焦离子束的工作原理 离子束系统的“心脏”是离子源。目前技术较成熟，应用较广泛的离子源是LMIS，其源尺寸小、亮度高、发射稳定，可以进行微纳米加工。同时其要求工作条件低(气压小于10 Pa，可在常温下工作)，能提供A1、As、Au、B、Be、Bi、Cu、Ga、Fe、In、P、Pb、Pd、Si、Sn及Zn等多种离子。由于Ga(镓)具有低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化力，成为目前商用系统采用的离子源。 液态金属离子源（LMIS)结构有多种形式，但大多数由发射尖钨丝、液态金属贮存池组成，典型的LMIS 结构示意图如图所示。 FIB系统由离子束柱、工作腔体、真空系统、气体注入系统及用户界面等组成，图2是聚焦离子束工作原理示意图。其工作原理为：在离子柱顶端的液态离子源上加上较强的电场，来抽取出带正电荷的离子，通过同样位于柱中的静电透镜，一套可控的上、下偏转装置，将离子束聚焦在样品上扫描，离子束轰击样品后产生的二次电子和二次离子被收集并成像。 典型的聚焦离子束系统的工作电流在lpA到30nA之间。在最小工作电流时，分辨率均可达5nm。 目前已有多家公司可以提供商品聚焦离子束系统，其中以美国FEI公司的产品占主导地位。该公司可提供一系列通用或专用聚焦离子束机，包括结构分析系列与掩模缺陷修补系列的电子离子双束系统与集成电路片修正系统。 双束系统的优点是兼有扫描镜高分辨率成像的功能及聚焦离子束加工的功能。用扫描电镜可以对样品精确定位并能实时观察聚焦离子束的加工过程。聚焦离子束切割后的样品可以立即通过扫描电镜观察。工业用机的自动化程度高，可装载硅片的尺寸为(6～8)in。 3．聚焦离子束加工的特点
电子束与离子束的区别
电子束与离子束的原理及其异同 模具三班 一、1.电子束与离子束的加工原理比较 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可以进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加工。 离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应
二、聚焦离子束 聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓。 在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定离子束的大小，而后用E ×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，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，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。 三、如何控制其方向 磁偏转与电偏转分别是利用磁场和电场对运动电荷施加作用，控制其运动方向。这两种偏转有如下差别： 在磁偏转中，变化的使粒子做匀速曲线运动——匀速圆周运动，其运动规律分别从时(周期)、空(半径)两个方面给出在电偏转中，恒定的使粒子做匀变速曲线运动——类平抛运动，其运动规律分别从垂直于电场方向和平行于电场方向给出 磁偏转中，粒子的运动方向所能偏转的角度不受限制，且在相等时间内偏转的角度总是相等。在电偏转中，在相等的时间内偏转的角度是不相等的。
聚焦离子束论文
聚焦离子束加工原理及其应用 摘要：聚焦离子束(FIB)技术是利用离子束对零件进行特种加工的技术，在微细加工领域具有广泛应用，并且随着光学器件和特种零部件逐渐小型化，FIB及其应用将会被更加重视。本文简述了聚焦离子束系统组成和主要功能，着重介绍了FIB技术在离子束抛光、反应离子束刻蚀、离子束沉积薄膜、电路修改、离子注入表面改性、离子束辅助气相沉积中的应用。 关键词：聚焦离子束；微细加工；应用；离子束注入 1 聚焦离子束的工作原理 聚焦离子束，（简称FIB技术）是利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引出。由于镓Ga元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓。图（1-1）给出了聚焦离子束系统结构示意图。 图1 聚焦离子束系统结构示意图 在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，离子源大部分采用液态金属，还有少部分采用气体场离子，液态金属离子又分为单元素离子源和合金离子源。前者主要有镓离子，铯离子。可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定离子束的大小。而后用质量分析器筛选出所需要的离子种类，最后通过偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，样品受到离子束的激发,样品发出的二次信号被收集、放大即可在显示器上形成样品表面形貌的二次电子像，通过计算机辅助系统对样品的加工进行编程。离子束轰击样品，并与样品材料中电子和原子发生物理、化学作用，如材料中原子的离化、溅射、电子发射、 光子发射和化学键的断裂、分子的离解等,这也决定了离子束在加工中可以实现多种功能。 2 聚焦离子束的应用 2.1 离子束抛光 2.1.1离子束抛光原理 溅射现象，即具有一定能量的离子入射到固体表面上时，离子将同表面浅层内的原子不断地进行碰撞，在碰撞中将一些动量和能量传递给表面浅层原子。获得动量和能量的原子由于周围原子的限制，只能在原位置附近作振动，并将能量和动量传递给周围的原子，形成一系列原子的级联运动。如果某一做级联运动的原子具有指向固体表面的动量，并且其动能大于从它的位置移动到表面所需要克服的晶格位移能和从表面脱离所需要的表面结合能时，它将从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。 2.1.2离子束抛光特点 离子束对工件没有压力，不会引起工件表面的压力变形。离子束在加工过程中不会像传统刀具一样出现磨损；离子束抛光是对工件表面材料在原子级别上的去除，加工精度高；准备时间较长、使工件表面产生热变形、膨胀系数较高的脆性材料不能用离子束来加工、对零件的面形精度要求高。 离子束加工需要抽真空，准备时间较长；对零件的面形精度要求高。 2.2反应离子束刻蚀 2.2.1刻蚀原理 为了提高离子束刻蚀的速率和离子束刻蚀对不同材料的选择性,通常在刻蚀过程中在气体注入系统中加入一定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其基本原理就是用高能离子束将不活泼的辅助刻蚀
项目名称多元材料跨尺度微纳加工与设计方法
项目名称：多元材料跨尺度微纳加工与设计方法 完成单位：北京大学 完成人：吴文刚，张海霞，王玮，陈兢，李志宏，张锦文 项目简介: 智能化微型系统被公认为未来技术创新的主要方向之一，面向不同应用需求及环境构筑多样化、集成化的微纳传感器、执行器，是发展上述智能化微型系统的主要基础和关键环节，其中开发多样化、集成化微纳传感器、执行器的新型制造技术，特备是实现不同功能材料、不同尺度域的集成制造成为当前的重要挑战。 针对以上问题，本成果解决了四个关键问题：如何在多元材料上实现微纳复合结构的制备，如何在跨微纳尺度范畴内实现大批量微纳结构的可控制备，如何形成制备方法的标准化分析和表征，如何将所开发的多元材料跨尺度微纳加工技术应用于制造高性能典型微纳传感器、执行器并进行器件推广应用。主要发明创新如下： 1）提出了基于氧等离子体轰击聚合物引入纳米材料和优化深反应离子刻蚀（DRIE）工艺的纳米森林结构加工技术，建立了无掩模制备“以微米为骨架结构, 以纳米为功能结 构”的微纳集成制造方法，在硅基材料、介质材料以及多种柔性材料上实现了微纳复 合结构的大规模批量化加工，成品率达到95%以上，成本下降200%； 2）提出了聚焦离子束应力引入及类流体物质迁移微纳加工技术，基于侧墙工艺、边缘光刻和衍射曝光工艺的多样化纳米结构加工技术，以及纳米颗粒晶体加工技术，纳米结 构的可控性达到80%以上； 3）提出了钛、钼、钨等金属材料、聚对二甲苯（Parylene-C）以及Parylene C/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合聚合物材料（pcPDMS）的微纳加工技术，实现了微小金属零件、 柔性基底微纳器件以及高性能微流控芯片等的加工制作，新型微纳加工工艺材料5种以 上； 4）发明了通过SEM图像进行三维结构重建和对跨尺度结构进行数值化分析与表征的方法，并形成了应用软件在国际上发行； 5）发明了采用上述多元材料跨尺度微纳加工技术制备的新型微纳能源器件、微流控表面拉曼增强散射（SERS）检测器件、高灵敏度生化传感器件等，技术达到国际先进水平， 应用于能量采集、食品安全检测、环境监测等领域，部分器件已经形成产品在市场上 销售。 形成了具有自主知识产权的多元材料跨尺度微纳加工与设计方法，获得了授权发明专利33项，软件著作权4项，在影响因子大于5的国际重要学术期刊上发表论文21篇，重要学术会议邀请报告40余次。研究成果已经在北京微能高芯科技有限公司等企业实现应用，2010-2014年共
电子束离子束系统的工作原理
电子束/离子束系统的工作原理 一、电子束工作原理 利用聚集后能量密度较高（106~109（W/cm）2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在短时间内（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部溶化和气化，被真空系统抽走。 二、电子束加工特点 １)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到０.１μｍ，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。 ２)电子束能量密度很高，在极微小束斑上能达到１０６～１０９Ｗ／ｃｍ２，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。 ３)由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达９０％以上，因而加工生产率很高。 ４)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。 ５)由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 ６)电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，因而生产应用有一定局限性。 三、电子束加工的应用 １.打孔：提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化。 ２.焊接：使材料局部熔化就可以进行电子束焊接。 ３.热处理：电子束热处理是把电子束作为热源，并适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。 ４.电子束刻蚀加工：利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。 ５.电子束表面改性：表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。 四、离子束加工原理： 与电子束加工原理基本相同，但是也存在不同。比如：离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加
聚焦离子束微纳加工的溅射刻蚀工艺模型研究
第52卷第5期2016年3月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.5 Mar. 2016 DOI：10.3901/JME.2016.05.101 聚焦离子束微纳加工的溅射刻蚀工艺模型研究* 李源幸研仇晓黎 (东南大学机械工程学院南京 211189) 摘要：提出基于连续元胞自动机的聚焦离子束溅射刻蚀工艺模型，该模型可以有效引入实际工艺参数和扫描策略，建立溅射与再沉积方程，准确地表达离子束加工导致的溅射和再沉积效应，精确地描述这些效应导致的表面结构演化过程。在多种工艺因素和扫描策略的条件下，工艺模型的计算结果中，溅射刻蚀与再沉积效应能够与试验现象一致。加工截面轮廓的模拟结果，刻蚀深度随时间变化相对误差小于8%，精度高于现有的模型，验证了模型的有效性。连续元胞自动机模型不仅具备计算精度高的特点，而且有更好的可视化输出效果，为聚焦离子束加工微纳结构提供工艺参数优化方法。 关键词：聚焦离子束刻蚀；连续元胞自动机；再沉积效应；工艺模型 中图分类号：O414 Research on the Process Model for Focused Ion Beam Sputtering Etching Micro/Nanofabrication LI Yuan XING Yan QIU Xiaoli (School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189) Abstract：A new model based on the continuous cellular automaton (CCA) is introduced for the focused ion beam (FIB) etching process simulation. By considering the actual process parameters and the scan strategies, this method provides new sputtering and re-deposition functions to describe the effects, as well as the evolution of surface structures accurately. In various process conditions and scan strategies, the simulation results, compared with the experiments, show good performance in the reproduction of the sputtering and the re-deposition effects. And the cross-section profiles are successfully reproduced with etching depth relative error less than 8%, which validates this model. Compared with the reported simulation results, the proposed CCA model improves the simulation accuracy and the visual output, which provides a good solution in guiding the process parameter design and optimization for FIB micro-nanofabrication. Key words：focused ion beam etching；continuous cellular automaton；re-deposition effect；process simulation 0 前言 聚焦离子束技术(Focused ion beam, FIB)是通过透镜系统将液态离子源(Liquid metal ion source，LMIS)发射的离子聚焦并轰击于材料表面，实现材料在亚微米和纳米尺度进行加工的工艺。作为FIB 最重要的功能之一，离子溅射刻蚀加工可以简单直观高分辨率地加工出曲面与空腔等各种复杂三维微结构[1-2]。然而材料的表面结构会影响溅射刻蚀的溅射产额以及刻蚀速率等要素。这不仅仅取决于其初 * 国家自然科学基金资助项目(51375093)。20141010收到初稿，20150929收到修改稿始表面结构，在扫描加工过程中产生的结构对后续的加工也会产生影响。而溅射刻蚀中的再沉积效应使加工表面结构进一步复杂化[3]。这些效应使得在同样的入射剂量下，即使扫描策略或其他工艺参数只有微小的不同，最终的刻蚀形状也会产生巨大的差异。在各种微纳机电系统(Micro/Nano electromechanical systems, M/NEMS)工艺及相关参数设计中，工艺建模及仿真有较大的指导意义[4-5]。针对FIB加工中的效应，多种算法及其相应的一系列仿真工具已被应用到其工艺模型中，其中包括：蒙特卡罗模型[6]，分段界面追踪法模型[7]，简易结构化网格模型[8]以及线算法模型[9]。而在近年的研究中，FIB工艺模型进一步发展为自由界面追踪水
1电子束离子束加工的工作原理
1电子束离子束加工的工作原理：利用聚集后能量密度较高（10的6次方~10 的9次方W/cm的2次方）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在短时间内（几分之一微妙）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部溶化和气化，被真空系统抽走。 2，在真空条件下，将离子源产生的粒子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千，数万倍，所以一旦粒子加速到较高质量时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。 2超声波加工的应用；型孔，型腔加工；切割加工；复合加工；超声清洗 3电火花加工的优点和局限性；适合于任何难切削导电材料的加工；可以加工特殊及复杂形状的表面和零件；2；主要用于加工金属等导电材料，但在一定的条件下也可以加工半导体和非半导体材料；一般加工速度较慢；存在电极损耗 4电火花加工和线切割加工的区别与联系；简明的讲。电火花就是在一个工件表面放电形成一个形状。要加工表面凸的就须要做一个的电极。相反凹进去的形状就要做一个凸的电极，才能加工。线切割就是通过一根钼丝穿过工具放电，形成一个直通的形状。电火花线切割是一个统一的名称. 5电解液的作用；电解液是化学电池、电解电容等使用的介质（有一定的腐蚀性），为他们的正常工作提供离子。并保证工作中发生的化学反应是可逆的。 6激光与普通光的区别。为什么称为激光？定向发光，普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置。激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。亮度极高；因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。直到1960 年激光才被首次成功制造。 7电解磨削加工的基本原理，设备组成与应用；答：1）原理砂轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙（约0.02～0.05毫米），同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属由于电解作用生成离子化合物和阳极膜。这些电解产物不断地被旋转的磨轮所刮除，使新的金属表面露出，继续产生电解作用，工件材料遂不断地被去除，从而达到磨削的目的。 2）设备：磨头部分，工作台及运动部分，机床进给运动，工作液分值环系统，夹具部分，排风系统，电源部分，机床电气。 3）应用：磨削各种高强度、高硬度、热敏性、脆性等难磨削的金属材料，如硬质合金、高速钢、钛合金、不锈钢、镍基合金和磁钢等。8分析电火花加工的自动调节系统和电解加工的进给系统；一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设定的。进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接影响到阴极形状（成形加工时）。在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但在电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能按照电流的大小进行控制。电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）的稳定，它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度大，平衡间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大于蚀除速度，极易引起短路，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。9电火花。超声波，激光三种加工方法各自的能量来源，加工原理，主要应用，相同点和不同点。能量来源；电能，震动能量，光能 原理；基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来腐蚀多余的金属。 2利用工具端面做超声频震动。通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种形式方式。 3利用激光聚焦后的光能转化为热能，熔化气化被加工材料。