离子束技术及其应用

离子束技术及其应用

合肥研飞电器科技有限公司

一．离子束技术简介

1．离子源构成及原理

如图1所示，在一个真空腔体中,用气体放电产生一团等离子体，再用多孔（缝）引出电极将等离子体中的离子引出并加速形成离子束。

图1 离子源构成原理示意图。 图2 单孔引出电极构成原理示意图。

2．离子束的品质因素

引出电极的单孔构成原理如图2所示，它决定了离子束的品质因数，即导流系数（设计最佳化）、能耗、运行气压和气体效率。其中导流系数由下式决定：

202302

max 294??? ??==d D M eZ V D J P c πεπ (A/V 3/2)

3．离子源的分类

主要按等离子体产生的方法来分：

● 有极放电，主要包括：考夫曼、潘宁、佛里曼(Freeman)、双压缩、双潘宁、射频容性耦合离子源；

● 无极放电，主要包括：微波ECR 、射频感性耦合（ICP ）离子源； ● 其它离子源，例如：束—等离子体离子源。

二． 离子束辅助沉积薄膜技术

1．离子束辅助的重要性

A ．新的挑战:

随着有机光学元件基片材料的采用和光纤通信工业应用中提出了更高的技术要求，以及提供相应的多层光学涂层薄膜，越来越需要发展新工艺。

B ．蒸发镀的局限性:

虽然蒸发镀是光学涂层的主要制备方法，但它不能满足更高的致密性要求、改善机械性能和产品的快速生产等方面的要求。

2．离子辅助沉积

众所周知，引入离子辅助沉积，在一定程度上能够改善热蒸发沉积薄膜的持久性和稳定性方面的性能。这种工艺的功能已经在材料等许多领域被证明，当然它不一定能满足一些涂层应用的特殊要求。市场上可以买到的离子源仅能提供低的离子流和窄的束径，限制了可应用的基片面积。

3．该应用离子束的特点：

离子能量低（100eV －1000eV ）；

大流强（数mA/cm 2）；

要求流强受离子能量影响小；

高真空（～10 -5乇）；

离化率、电效率、气体效率高；

杂质量低；

寿命长（抗氧化）、操作容易、维护方便。

4．新型ICP 离子源的研制

A.前 言

● 离子源广泛应用于材料改性、刻蚀和薄膜沉积领域；

● 射频感应耦合等离子体（RF ICP

）源结构简单、能产生高密度的纯净等离图4 离子辅助电子束蒸发镀 膜装置示意图

子体、使用寿命长、以及性能价格比好（见图5和图6）。

B. 射频ICP 离子源的设计参数：

射频功率源：300-800W ；

离子能量：100-2000eV ；

电极出口的离子流密度:2mA/cm 2；

真空室运行气压可小于1x10-2Pa ；

等离子体产生区等离子体的能量 ： 由此可计算出产生等离子体的输入功率。

C. 离子流的引出：

采用三电极引出（见图2 ）可以大大降低引出离子束能量对引出离子束流密度的影响。

D.可调射频匹配网络：

在射频放电回路中，为了使得射频发生器的输出阻抗与负载阻抗能够匹配，需要在射频电源和放电发生器之间设置一阻抗匹配网络。

五．其他离子源及其应用

1．离子束表面改性：包括金属和非金属表面改性；

2．离子推进器：应用于宇宙航行推进和长寿命卫星姿态控制；

3．加速器的离子源：配用各种离子加速器；

V

kT n E e e p 图5 圆筒形射频ICP 等离子体源 图6 平板形射频ICP 等离子体源

4．脉冲离子源；

5．多电荷离子源：主要应用于重粒子加速器。

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。

重核离子束成分的加速器质谱分析

第33卷第2期原子能科学技术V o l.33,N o.2 　1999年3月A tom ic Energy Science and T echno logy M ar.1999重核离子束成分的加速器质谱分析3 何　明　姜　山　蒋崧生　武绍勇 (中国原子能科学研究院核物理研究所,北京,102413) 为拓展加速器质谱技术(AM S)测量范围及测量放射性核束成分,建立了利用入射离子发射特征X射线鉴别同量异位素的方法,开展了利用AM S测量重核离子束成分的工作。用此方法可将测 量79Se时的同量异位素干扰79B r压低2个数量级。对将用于64Cu放射性束实验的铜靶离子束成分 进行了分析。 关键词　离子束分析　入射离子X射线　加速器质谱 中图法分类号　TL52　TH84 加速器质谱技术(AM S)由于其高灵敏度而广泛应用于各个学科。AM S在测量重核,如79Se、126Sn等会遇到同量异位素的严重干扰。为拓展AM S测量范围,需建立重核的AM S分析新方法。另外,放射性核束物理实验的束流是混合束(受到一些稳定核素的干扰),需要对其成分进行鉴别而对离子束成分分析提出了要求。当离子经过加速器加速再经过分析磁铁选定所测核素后,离子束中一般只有所测核素的同位素和同量异位素。因此,离子束成分分析主要是分析离子束中的同位素和同量异位素含量。 1　同位素的分析方法 111　电刚度分析法 待分析样品在离子源被电离、经加速器加速后由分析磁铁选择出某一核素,只有相同磁刚度2〔(E q)?(m q)〕1 2的离子才能通过分析磁铁(E、m、q分别为离子能量、质量和电荷态)。离子在加速过程中由于电荷交换等原因使一些同位素的磁刚度满足选定的磁刚度而通过分析磁铁,因这些同位素离子质量不同,能量比选择的离子能量要高或低。静电分析器是能量分析器,即只有电刚度(E q)相同的离子才会通过静电分析器,因此可对离子的同位素进行分析。中国原子能科学研究院的高灵敏静电分析器[1]可对离子束中的同位素进行分析:通过改变静电分析器的电压让能量不同的离子(相应于质量不同的离子)通过静电分析器,对通过的离子进行测量来对离子束中的同位素进行鉴别。静电分析器在分析模拟传输64Cu时离子束中同位 3国家自然科学基金和核工业基金资助项目 何　明:男,29岁,加速器质谱学专业,助理研究员 收稿日期:1998205218　收到修改稿日期:1998208202

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

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/cc16393473.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

聚焦离子束实验报告

聚焦离子束系统虚拟仿真实验报告 姓名杨旺学号2220190690 专业班级航海技术四班 一、实验目的 1.理解聚焦离子束系统的基本结构和工作原理。 2.理解电子束与固体样品作用产生的信号在测试分析中的作用。 3.熟悉扫描电镜的参数设置和操作流程。 4.熟悉离子束刻蚀和沉积的技术特性。 二、实验原理 聚焦离子束系统是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观测手段，包括扫描电子显微镜成像和离子束刻蚀沉积。聚焦离子束系统的优点是:①有较高的放大倍数，20-30万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单；④离子束刻蚀沉积。 1.聚焦离子束系统的构造 聚焦离子束系统的构造主要是扫描电子显微镜。 扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图象显示和记录系统，真空系统三个部分组成。其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。 扫描电子显微镜中的各个电磁透镜不做成像透镜用，而是起到将电子束逐级缩小的聚光作用。扫描电子显微镜一般有三个聚光镜，前两个是强磁透镜，可把电子束缩小；第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距以便使样品和透镜之间留有一定的空间，装入各种信号接收器。扫描

电子显微镜中射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的放大倍数就越高。 2.聚焦离子束系统的工作原理 （1）扫描线圈 扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动。电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一个扫描发生器控制的。电子束在样品表面有两种扫描方式，进行形貌分析时都采用光栅扫描方式。当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带有逐行扫描的动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一帧比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器收集，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摇摆的角度也越大。在进行电子束通道花样分析时，采用这种方式。 （2）样品室 样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。样品台本身是个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和旋转等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。

3.离子束分析技术

Zhang Xiaodong
参考书目
离子束分析
Ion Beam Analysis (IBA)
? 《离子束分析》 杨福家
1985版 1985版
? 《原子核物理实验方法》（下） 1985版 1985版 ? 《粒子同固体物质相互作用》（上）王广厚 ? 《质子X荧光分析和质子显微镜》任炽刚 1981版 《质子X 1981版
课程安排
综述 卢瑟福背散射分析（RBS）、弹性反冲分 卢瑟福背散射分析（RBS）、弹性反冲分 析（ERD）和沟道技术 析（ERD） 粒子诱发X射线荧光分析（PIXE） 粒子诱发X 射线荧光分析（PIXE） 核反应分析（NRA） 核反应分析（NRA） 如有时间，适当补充课外知识
1.1 绪言
? 粒子与离子的概念差异
– 在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称
? 离子束分析的概念
– 总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判 断物质中元素组成及结构的一门学科 – 具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、α离子及 其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激 发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过 程中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和 含量的一门学科 – 为了对其概念有一深入的理解，大家来看离子束作用机制图
次级离子质谱
次级粒子
俄歇电子 X射线
Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)
离 子
-原 子 作 用 范 畴 离 子
俄歇电子谱
Auger Electron Spectrometry(AES)
粒子诱发X射线荧光分析
Particle Induced X-ray Emission(PIXE)
离子束（E,q） 发射粒子 背散射粒子 样品 γ射线
弹性反冲分析
Elastic Recoil Detection(ERD)
-原 子 核作 用 范 畴
核反应分析
Nuclear Reaction Analysis(NRA)
卢瑟福背散射分析
Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS)
离子束作用机制图
离子束分析作用机制图
质子X射线荧光分析
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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

聚焦离子束(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切割仪器，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；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场(Suppressor)于液相金属离子源可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。以下为其切割（蚀刻）和沉积原理图： 在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。 1工作原理编辑液态金属离子源 离子源是聚焦离子束系统的心脏，真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源[1、2]。液态金属离子源的基本结构如图1所示 在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（泰勒锥），液态尖端的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/s r。 聚焦离子束系统 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，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（Gallium，Ga）[3、4]。图2给出了聚焦离子束系统结构示意图。 在离子柱顶端外加电场（Suppressor）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（Extractor）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（Automatic Variable Aperture，AVA）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。 2基本功能编辑聚焦离子束显微镜的基本功能可概分为四种： 1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。 2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化层的沉积(Metal and TEOS Deposition)，常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和钨(Tungstun,W)二种。 3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。 4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号，藉以了解切割或蚀刻的进行状况。在实际的应用上，为了有效的搜寻故障的区域或外来掉落的材料碎屑、尘埃、污染粒子(Particles)等位置，离子束显微镜在外围的控制系统上，可配备自动定位导航系统或影像重叠定位装置，当生产线的缺陷检视系统(Defect Inspection System)，例如:KLA或Tencor，发现制程异常时，可将芯片上缺陷的计算机档案传送到自动定位导航系统，离子束显微镜即可迅速找寻缺陷的位置，并进行切割动作，确认缺陷发生的层次，如此可避免芯片送出无尘室后与外界的灰尘混淆，达到 "Off-line 找到的就是In-line 看到的" 精准度，这种功能免除了工程师在试片制备上极大的困扰，同时节省

聚焦离子束系统方法通则编制说明

教育行业标准《聚焦离子束系统方法通则》（征求意见稿） 编制说明 受全国教学仪器标准化技术委员会委托，本标准编写建议稿由北京科技大学作为主持修订单位，国家纳米科学中心、哈尔滨工业大学作为辅助修订单位，南京大学、西安交通大学、天津大学、重庆大学作为参加单位一起完成。在修订稿编写的过程中，积极参加编制组各次工作会议，提供编制组需要的相关参考资料，对标准的各版进行认真的讨论和审议，提出大量有益的意见和建议，并严格按照GB/T1.1《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》和其它有关规定执行。在标准修订过程中，还得到了Zeiss公司、FEI 公司、Tescan公司的专家们的大力支持。 1 采用或参考国外标准情况 标准建议稿中没有参考国外标准。 2 参考国内标准情况 本标准为新制定的标准，在原《JY/T010-1996分析型扫描电子显微镜方法通则》的基础上，参考了国内相关的标准，主要标准如下： [1] GBT 16594-2008 微米级长度的扫描电镜测量方法通则 [2] GBT 20307-2006 纳米级长度的扫描电镜测量方法通则 [3] GB/T 15861-2012 离子束蚀刻机通用规范 3 主要制定过程 2015年6月24日，由全国教学仪器标准化技术委员会主持在江苏省扬州市进行了标准编写培训，并召开了本标准的任务落实会及第一次工作会。会上成立了标准编制组，编制组成员单位有：北京科技大学、国家纳米科学中心、哈尔滨工业大学、作为等7家单位，并布置了各单位的编制任务。 2015年6月28日，按照任务落实会及第一次工作会的精神，各编制单位如期完成第一期编制任务，由北京科技大学主持进行了第二次工作会议，会议以电话沟通会的形式对编制计划和方案初稿进行了修改。 2015年7月1日，完成了编制计划和方案的制订，并确定了工作组的名单。 2015年7月12日 - 7月24日，众编制单位多次组织网上讨论和发邮件进行先期的沟通和交流，并查阅相关标准和书籍、文献资料，提出通则提纲和框架结构。 2015年8月5日，工作组严格按照GB/T1.1《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》，在调查研究和组内意见与分工的基础上，对通则进行仔细编制，形成编制初稿第一稿，并对《聚焦离子束系统方法通则》初稿第一稿进行了讨论与修改。 2015年8月6日-8月30号，工作组完成《聚焦离子束系统方法通则》初稿第二稿。

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。

聚焦离子束技术

讲习班总结 7月11日（周二） 1.聚焦离子束技术（FIB） 定义：将离子束聚焦到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扫描运动，实现微纳米图形的检测分析和微纳米结构的无掩模加工。 离子源：液态金属镓 应用：掩模板修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜样品制备、三维结构直写等方面。 基本组成：离子源、电子透镜、扫描电极、二次粒子探测器、多轴多向移动的样品台、真空系统。

聚焦离子束与SEM一样，通过偏转系统控制离子束在样品表面进行光栅式扫描，同时由信号探测器接受被激发出来的二次电子或二次离子等信号，从而得到样品表面的形貌图像。FIB激发的二次电子信号强度除了与表面形貌有关外，还因样品的晶体取向、原子质量有明显的不同。 FIB获得的图像SEM获得的表面形貌包含的信息更为丰富。 FIB可以分析薄膜材料每层厚度，也可以用作成分分析。 FIB+EDS 可以做三维成分分析。

刻蚀和切割是聚焦离子束技术最主要的功能。FIB通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，从而按照设定的图案刻蚀出设计的结构。 在刻蚀过程中，溅射溢出的颗粒大部分被真空泵抽走，但有部分会掉落在被刻蚀区域附近，这一过程成为再沉积。再沉积会对临近的结构形成填埋，因此在刻蚀多个相邻的结构时，通常采用并行的模式，以减小再沉积的影响。 在实际应用聚焦离子束加工制作微纳米结构时，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最终加工制作出的结构有时会产生缺陷，这些缺陷主要包括：倾斜侧壁 在聚焦的束斑内，离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有~4°的锥度。 要想得到与样品表面完全垂直的截面，通常采用将样品人为倾斜特定的角度，以弥补截面与离子束入射角度之间的偏差。另外，还可以采用侧向入射的方式进行切割，通过定义刻蚀图案来控制截面与表面的角度，灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。 窗帘结构 聚焦离子束加工样品截面时，另外一个需要关注的问题是截面的平整度，有时会在截面上出现竖直条纹，被称为窗帘结构。窗帘结构的形成与聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁密切相关，当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，就会形成窗帘结构。 对于表面形貌起伏引起的窗帘结构，解决办法通常是在样品表面用FIB辅助化学气相沉积生长一层保护层，使表面变得平坦；也可以通过改变离子束的入射方向，从没有起伏的面开始切割，从而避开其影响。对于成分差异引起的窗帘结构，可以通过摇摆切割的方式，使离子束在多个角度入射进行消除。 非均匀刻蚀 聚焦离子束可以直接快速地加工制作微纳米平面图形结构，对于非晶体材料或单质单晶材料，FIB刻蚀通常可以得到非常平整的轮过形状和底面，但对于多晶材料和多元化合物材料，由于各个晶粒的取向不同，刻蚀速率在不同晶粒区域也会不同，经常会呈现非均匀刻蚀，底面并不平整。 对于多晶材料刻蚀出现的非均匀性加工缺陷，可以通过增大离子束扫描每点的停留时间来加以改善。聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子会落回样品表面，该过程称为再沉积。增大离子束在每点的停留时间，再沉积的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。 气体辅助刻蚀可以大大提高刻蚀速率，减少再沉积，提高深宽比极限。（离子束辅助沉积）

聚焦离子束技术修订稿

聚焦离子束技术 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-

讲习班总结 7月11日（周二） 1.聚焦离子束技术（FIB） 定义：将离子束聚焦到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扫描运动，实现微纳米图形的检测分析和微纳米结构的无掩模加工。 离子源：液态金属镓 应用：掩模板修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜样品制备、三维结构直写等方面。 基本组成：离子源、电子透镜、扫描电极、二次粒子探测器、多轴多向移动的样品台、真空系统。

聚焦离子束与SEM一样，通过偏转系统控制离子束在样品表面进行光栅式扫描，同时由信号探测器接受被激发出来的二次电子或二次离子等信号，从而得到样品表面的形貌图像。FIB激发的二次电子信号强度除了与表面形貌有关外，还因样品的晶体取向、原子质量有明显的不同。 FIB获得的图像SEM获得的表面形貌包含的信息更为丰富。 FIB可以分析薄膜材料每层厚度，也可以用作成分分析。 FIB+EDS 可以做三维成分分析。

刻蚀和切割是聚焦离子束技术最主要的功能。FIB通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，从而按照设定的图案刻蚀出设计的结构。 在刻蚀过程中，溅射溢出的颗粒大部分被真空泵抽走，但有部分会掉落在被刻蚀区域附近，这一过程成为再沉积。再沉积会对临近的结构形成填埋，因此在刻蚀多个相邻的结构时，通常采用并行的模式，以减小再沉积的影响。 在实际应用聚焦离子束加工制作微纳米结构时，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最终加工制作出的结构有时会产生缺陷，这些缺陷主要包括： 倾斜侧壁 在聚焦的束斑内，离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有~4°的锥度。 要想得到与样品表面完全垂直的截面，通常采用将样品人为倾斜特定的角度，以弥补截面与离子束入射角度之间的偏差。另外，还可以采用侧向入射的方式进行切割，通过定义刻蚀图案来控制截面与表面的角度，灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。 窗帘结构 聚焦离子束加工样品截面时，另外一个需要关注的问题是截面的平整度，有时会在截面上出现竖直条纹，被称为窗帘结构。窗帘结构的形成与聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁密切相关，当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，就会形成窗帘结构。 对于表面形貌起伏引起的窗帘结构，解决办法通常是在样品表面用FIB辅助化学气相沉积生长一层保护层，使表面变得平坦；也可以通过改变离子束的入射方向，从没有起伏的面开始切割，从而避开其影响。对于成分差异引起的窗帘结构，可以通过摇摆切割的方式，使离子束在多个角度入射进行消除。 非均匀刻蚀 聚焦离子束可以直接快速地加工制作微纳米平面图形结构，对于非晶体材料或单质单晶材料，FIB刻蚀通常可以得到非常平整的轮过形状和底面，但对于多晶材料和多元化合物材料，由于各个晶粒的取向不同，刻蚀速率在不同晶粒区域也会不同，经常会呈现非均匀刻蚀，底面并不平整。 对于多晶材料刻蚀出现的非均匀性加工缺陷，可以通过增大离子束扫描每点的停留时间来加以改善。聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子会落回样品表面，该过程称为再沉积。增大离子束在每点的停留时间，再沉积的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。 气体辅助刻蚀可以大大提高刻蚀速率，减少再沉积，提高深宽比极限。（离子束辅助沉积）

离子束沉积薄膜技术及应用

中国科学院上海光学精密机械研究所 博士研究生读书笔记 (基础理论课) 课程名称：离子束沉积薄膜技术及应用学科专业：光学工程 学生姓名：王聪娟 导师姓名：邵建达、范正修 入学时间：2005年9月 2007年12月10日

《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟 目录 1.引言 (3) 2.离子束沉积（IBD）薄膜原理 (3) 2.1 离子束的输运及非热平衡沉积过程 (3) 2.2 惰性气体离子的气种效应 (4) 2.3 离子束轰击固体表面引起的重要效应 (6) 3.IBSD薄膜技术及应用 (9) 3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法 (9) 3.2 薄膜结构与薄膜内应力 (10) 3.3 IBSD薄膜技术的典型应用 (10) 4.双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术 (10) 5.IBRSD薄膜方法及应用 (11) 6.IBAD 薄膜方法及应用 (12) 6.1 离子轰击对生长薄膜的基本作用 (12) 6.2 IBAD方法概述 (15) 6.3 IBAD光学薄膜的应用 (17) 2

中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月 3 1. 引言 本读书笔记主要参照《离子束沉积薄膜技术及应用》撰写的。 本书系统地介绍了IBD 薄膜技术的原理、方法及应用，重点放在技术基础论述、制备方法研究和应用方面，展现出了IBD 薄膜技术丰富的科技研究与应用硕果。为读者提供了可直接引用的方法、数据及结果。 由于该书内容详实，涉及面广。根据本人研究方向的需要，就感兴趣的离子束沉积薄膜原理及IBAD 薄膜方法及应用两个章节做了细致深入的阅读，并写了该读书笔记。 2. 离子束沉积（IBD ）薄膜原理 2.1 离子束的输运及非热平衡沉积过程 2.1.1 运行离子的碰撞现象 在离子源发射的离子到达靶面所经历的输运过程中，离子与气体原子或与其他粒子可能发生多种形式的碰撞。其中，最重要的碰撞形式是Ar +离子与Ar 原子之间的谐振电荷交换碰撞，表现出较大的碰撞截面或较小的平均自由程。当输运中的离子与气体原子发生碰撞时，离子将损失其部分能量。离子每运行谐振电荷交换碰撞平均自由程的10%，约损失其携带能量的10%，当离子运行距离为平均自由程的80%~85%时，已接近损失其携带的全部能量。 发生谐振电荷交换碰撞后，Ar +离子的能量损失截面σE 和动量损失截面σP 的近似数学表达式分别为 )(0036.01)(0057.0124 124 1nm E z nm E z i P i E ==σσ 式中：z 为离子的原子序数；Ei 为离子能量。 2.1.2 非热平衡条件下的IBSD 薄膜原理 与其他沉积薄膜方法相比，IBSD 薄膜过程处于典型的非热平衡状态。 控制IBSD 薄膜结构及性质的基本因素之一是离子能量，若按玻耳兹曼常数 k=1.38×10-23J/K 所表示的物理量纲含义，可将离子能量折算为等效温度，则1eV 能量的等效温度为11600K ，表明用离子能量标定的等效温度极高。用宏观等效温度来标定离子能量