綜述了聚焦離子束濺射在微米/納米制造方面的應(yīng)用， 討論了微米/納米結(jié)構(gòu)材料的濺射 方法 一些物理量： J0=電流強(qiáng)度峰值（位于粒子束的ZX） K1，K2=不同晶體結(jié)構(gòu)的材料因數(shù)以及其他的獨(dú)立屬性 α=能量傳遞系數(shù) φ=離子流量 η=目標(biāo)原子密度 σ=標(biāo)準(zhǔn)差 δ=像素間距（單位：納米） φ（x，y）=（x，y）點(diǎn)處的離子流量 εb=原子鍵能 ?Zij=點(diǎn)（x，y）處的濺射深度 a=累積強(qiáng)度變量剖面的峰谷值 A=孔徑尺寸（納米） B=粒子束功能 -1-
聚焦離子束（FIB）濺射 d=離子量 fx，y=二維高斯光束的能量密度 I=離子束流量總量 J（x，y）=點(diǎn)（x，y）處的離子流強(qiáng)度 M=材料功能常數(shù) mi，mt=入射離子的質(zhì)量以及目標(biāo)粒子的質(zhì)量 MRR=材料移除率 R=濺射面厚度 r=FIB半徑（納米） Ra，Rmax=表面粗糙度的平均值及Zda值（谷峰值） S（θ）=濺射角 TC=濺射時(shí)間 Td=保延時(shí)間 tx，y=點(diǎn)（x，y）處的離子濺射保延時(shí)間 U0=原子鍵能 V=增速電壓 Y（E）=普通濺射產(chǎn)量 z=濺射深度 -2-
聚焦離子束（FIB）濺射 Zi，Zt=源原子的核電荷數(shù)和目標(biāo)原子的核電荷數(shù) 1 介紹 聚焦離子束系統(tǒng)（FIB-focused ion beam）商業(yè)化制造已經(jīng)接近 30 年。
Z初主要給 大型半導(dǎo)造商。
聚焦離子束 FIB，利用鎵離子在很高的空間分辨率下切割去除材料。
這 樣可以在樣品特殊的位置制作剖面（斷面） 。
樣品既可以直接在 FIB 中研究，也可以轉(zhuǎn)移到 掃描電鏡或者透射電鏡中進(jìn)行精細(xì)分析。
當(dāng)鎵離子和一定氣體作用，它也有可能沉積材料。
因此 FIB 在很廣闊的應(yīng)用范圍內(nèi)能被用于多功能工具使用。
FIB 系統(tǒng)的操作除了不用電子束以外和掃描電鏡工作方式非常相似。
大多數(shù) FIB 系統(tǒng)裝 備液態(tài)金屬離子源（LMIS） ，加熱的同時(shí)伴隨一定的拔出電壓，獲得鎵離子束。
通過一套電 子透鏡精細(xì)聚焦的鎵離子束，在束偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，形成掃描光柵。
離子束的能量分散約 為 5ev，為了降低像差，在離子束光軸上設(shè)置光闌，為了消除象散，使用八級線圈作為消象 散器。
如果是合金離子源，通過質(zhì)量選擇器來選擇離子。
離子束可通過濺射對樣品局部進(jìn)行 移除，局部沉積，也可以用于材料 FIB 表面成像。
聚焦離子束（FIB）在顯微機(jī)械加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用例如 分析及修改集成電路、修剪磁頭等，F(xiàn)IB 的應(yīng)用可以成功地?cái)U(kuò)展在其他領(lǐng)域并取得成就，用 于掃描電子顯微鏡 （SEM） 成像技術(shù)， 也可以用于其他分析設(shè)備諸如： 隧道電子顯微鏡 （TEM） ， 二次離子質(zhì)譜（SIMS）等。
聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion beam，F(xiàn)IB）系統(tǒng)是利用電子透 鏡將離子束聚集成非常小尺寸的顯微精細(xì)切割儀器， 目前商用系統(tǒng)的離子束多為液體金屬離 子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS） ，金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂械腿埸c(diǎn)、低蒸汽壓， 及良好的抗氧化能力。
聚焦離子束顯微境的基本功能可分為四種，即： ○精細(xì)切割，利用粒子的物理碰撞來達(dá)到切割的目的； 1 ○選擇性的材料蒸鍍，以離子束的能量分解有機(jī)金屬蒸汽或氣相絕緣材料，在局部區(qū) 2 域作導(dǎo)體或非導(dǎo)體的沉積，可供金屬和氧化層的沉積，常見的金屬沉積有鉑和鎢兩種； ○增強(qiáng)刻蝕或選擇性刻蝕，輔以腐蝕性氣體，加速切割的效率或作選擇性的材料去除； 3 4 ○刻蝕終點(diǎn)檢測，檢測二次離子的信號，以此了解切割或刻蝕的進(jìn)行狀況。
聚焦離子束顯微境在 IC 工業(yè)上的應(yīng)用，主要分為五大類： 1 ○線路修改和布局驗(yàn)證； 2 ○元器件失效分析； 3 ○生產(chǎn)線工藝異常分析； ○IC 工藝監(jiān)控一例如光刻膠的切割； 4 ○透射電子顯微鏡樣片制作。
5 液態(tài)金屬離子源（LMIS）使 FIB 能夠在 FIB 顯微機(jī)械加工領(lǐng)域獲得更小的直徑，F(xiàn)IB 濺 射是一種新興技術(shù)用于無掩膜精密加工。
入射離子沖擊襯底然后以階梯碰撞形式釋放出粒 子，這兩種濺射都是干蝕刻/濺射以及氣體輔助蝕刻（GAE） ，GAE 是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象， 因?yàn)椴牧系囊瞥Q于氣體的化學(xué)反應(yīng)和活潑離子的物理變化以及氣體變化和活潑離子的 共同作用。
干濺射對于 FIB 顯微機(jī)械加工顯得越來越重要主要是因?yàn)樗谖⒚?納米領(lǐng)域的廣泛應(yīng) 用。
對于 FIB 的主要的研究課題是計(jì)算濺射參數(shù)以便達(dá)到特定的幾何形狀和表面光潔度。
隨著數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，F(xiàn)IB 濺射過程對精密加工顯得更加重要。
事實(shí)上，幾乎所有的材 料都能被濺射，當(dāng)然也能被 FIB 以 5~10nm 的工藝尺寸所直觀地展現(xiàn)出來。
FIB 濺射的材料 -3-
聚焦離子束（FIB）濺射 移除率比化學(xué)氣相沉積更高，而 FIB 濺射具有更小的尺寸。
FIB 在精密加工方面的應(yīng)用領(lǐng)域以及其與 LIGA 的（平版印刷、電鍍、模具）競爭進(jìn)行 了討論。
Z后，給出了 LIGA-similar 過程和微小組成部分的大規(guī)模生產(chǎn)。
2 FIB 的基本原理 高能離子被靜電電壓轉(zhuǎn)移到襯底，離子流沿著狹長的圓筒型隧道移動(dòng)。
穩(wěn)壓電源將發(fā)射源物質(zhì)稍加熱以維持發(fā)射源的流動(dòng)性。
在離子化進(jìn)程中，液態(tài)金屬原子有失去電子的傾向，然后變成陽離子。
帶電以后，離 子可被加速、聚集或被電場控制。
他們較高的質(zhì)量能誘導(dǎo)濺射效應(yīng)的發(fā)生。
加速電壓使離子在接地點(diǎn)加速，加速電壓越 高，離子移動(dòng)速度越快 2.1儀器 基本的單波束儀器由液態(tài)金屬離子源、一個(gè)離子柱、樣品載臺(tái)、真空腔組成。
典型的離子束顯微鏡包括液態(tài)金屬離子源及離子引出極、預(yù)聚焦極、聚焦極所用的高 壓電源、電對中、消像散電子透鏡、掃描線圈、二次粒子檢測器、可移動(dòng)的樣品基座、真空 系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場的裝置、電路控制板和電腦等硬件設(shè)備。
2.2離子束剖面與直徑 對于離子束剖面以及離子強(qiáng)度分布的分析是一個(gè)基本的條件。
離子束剖面通常被看作是圓截面上的高斯分布。
離子強(qiáng)度分布是高斯分布的遠(yuǎn)程拖延 并滿足如下方程： 其中，I=離子束總強(qiáng)度， ，J（x，y）=點(diǎn)（x，y）處的離子流量密度。
2.3濺射原理 FIB可以用于直接和無掩模的圖案襯底制作上。
襯底的材料可以是硅、鎢、鋼或者任何 其他的晶體材料。
被質(zhì)子轟擊和被濺射的離子分別稱作初級和次級離子。
在逐行掃描的過程 中，離子束停留在一個(gè)特定的點(diǎn)上并持續(xù)一段時(shí)間，然后移至下一個(gè)像素點(diǎn)。
兩個(gè)像素點(diǎn)之 間的距離稱作“像素距離” ，當(dāng)一行中的所有位點(diǎn)都被掃描完成之后，離子束將移動(dòng)至下一 行。
當(dāng)整個(gè)濺射區(qū)域都被掃描完成以后， 離子束將重新開始掃描直到它用完所的離子劑 量。
外加電場于液態(tài)金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細(xì)小，再加上負(fù)電場牽引的鎵， 而導(dǎo)出鎵離子束。
在一般工作電壓下，電流密度約為10-SMem： ，以電透鏡聚焦，經(jīng)過 可變孔徑光闌，決定離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面，利用物理 碰撞來達(dá)到切割的目的，離子束到達(dá)樣品表面的束斑直徑可達(dá)到7納米。
從表面逸出的各種 1 粒子來自不同的物理過程，帶有豐富的表面信息。
比較重要的有以下幾種：○散射離子，在 表面或表層彈性散射或非彈性散射的入射離子， 它們的能量分布和角分布反映了表面原子的 2 信息；○二次離子，從表面濺射出的離子中，有一部分是以正負(fù)離子的形式出現(xiàn)的，它們來 3 自固體表面，對它們的能量和質(zhì)量進(jìn)行分析，可以直接得到表面組分的信息；○二次電子， 發(fā)射的電子可能來自表面，也可能來自比較深層。
如果入射離子在表面發(fā)生中和，則可產(chǎn)生 電子發(fā)射，但在表面下層是固體原子受激或電離時(shí)，也會(huì)有電子放出，這些電子都帶有表面 -4-
聚焦離子束（FIB）濺射 4 的信息；○x射線及光發(fā)射，可能來自表面及表層，各種退激發(fā)及離子中性化過程都可以導(dǎo) 致光發(fā)射，離子誘導(dǎo)產(chǎn)生的光發(fā)射常常帶有表面化學(xué)成分及化學(xué)態(tài)的信息。
樣品表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是離子束顯微鏡影像的來 源。
影像的解析度決定于離子束的大小，離子束的加速電壓，二次粒子訊號的強(qiáng)度，試片接 地的狀況以及儀器抗振動(dòng)和磁場的狀況。
純物理濺射過程中， 由于被濺射物質(zhì)往往是不揮發(fā) 的， 容易引起重淀積現(xiàn)象而降低刻蝕效率， 重淀積的程度與坑的深度和被濺射出的離子數(shù)成 正比，即與濺射刻蝕的離了束流大小成正比。
氣體注入系統(tǒng)的引入可以克服上述缺點(diǎn)。
在刻 蝕過程中， 將反應(yīng)氣體噴到樣品表面的刻蝕區(qū)域。
高能離子束誘生吸附在樣品表面的氣體與 刻蝕區(qū)樣品進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物由真空泉抽走，這就是“增強(qiáng)刻蝕” 。
它 不僅有效地防止了重淀積，提高了濺射速率，且具有相同的刻蝕形狀和極ng確度，而且對不同 樣品材料有很好的選擇性， 即在同樣的刻蝕條件下。
由于不同材料與反應(yīng)氣體的化學(xué)活性不 同而使刻蝕速率明顯不同，從而大大降低了對刻蝕終點(diǎn)控制的要求。
3 FIB 濺射模型 盡管 FIB 濺射能制備高極ng確度的微元件， 控制濺射深度是相當(dāng)困難的。
如果襯底的材料 既不是集成電路，也不是晶圓，那么 SIMS（二次離子質(zhì)譜技術(shù)）能以 20nm 的極ng確度探測 并鑒定出過渡層。
但是，對于單一組成的材料而言，SIMS 技術(shù)則無法使用。
這樣就導(dǎo)致末 端點(diǎn)的檢測成為 FIB 濺射的難點(diǎn)。
表面粗糙度的估測則是 FIB 濺射微加工中的另一個(gè)關(guān)鍵性 問題。
在如下幾個(gè)部分中，若干模型被討論如何達(dá)到期望的濺射深度、幾何完整性以及表面 拋光處理。
3.1離子束與樣品相互作用 非彈性作用：電子能量損失，離子化。
彈性作用：原子核能量損失，離子能量直接轉(zhuǎn)移到樣品的原子，從樣品表面濺射樣品原 子，離子束反射，背散射，取代樣品原子，離子注入。
離子反射或者背散射 電子發(fā)射 電磁輻射 原子濺射和離子發(fā)射 固體樣品損傷 固體樣品發(fā)熱 3.2離子束的濺射作用 由于離子束的濺射作用，F(xiàn)IB 能用于局部的去處或者研磨掉材料。
隨著離子束入射角度增加， 離子束與樣品相互作用的每次碰撞流濺射出的原子數(shù)量 增加。
（和 ISE 產(chǎn)額隨表面幾何形貌變化的效應(yīng)類似） 。
然而，同時(shí)離子反射或者背散射 分量也在增加。
這兩個(gè)合并效應(yīng)導(dǎo)致在入射角度接近 75-80°時(shí)， 濺射產(chǎn)額達(dá)到Zda值。
這個(gè)效應(yīng)由 Ga 離子在 25-30kev 能量射入到各種各樣的材料上證明的，包括單晶硅，非 晶體二氧化硅，多晶 Au 和 W，顯示理論和試驗(yàn)之間很好的一致性。
硅或者非晶體硅對 于這個(gè)研究是理想的，因?yàn)楸苊饩w通道效應(yīng)（非晶硅的表面區(qū)域在鎵離子束下） 。
在 入射角度和通道效應(yīng)同時(shí)存在條件下，晶體材料的反應(yīng)更加復(fù)雜。
在給定入射角度的濺射產(chǎn)額隨有多種因素變化， 通道的晶體取向。
容易的通道取向， 離子只經(jīng)歷非彈性作用，與躺在晶面里樣品原子掠射角碰撞，在引起彈性散射前，深入 晶體內(nèi)部， 因此只有少數(shù)原子從表面被濺射。
這好比晶體取向效應(yīng)對低能電子產(chǎn)額的影 -5-
聚焦離子束（FIB）濺射 響。
在垂直晶界的濺射通道效應(yīng)。
濺射剖面圖還有賴于在樣品表面掃描光柵的方向和序 列。
例如，環(huán)形的濺射輪廓，被快速和重復(fù)的掃描切割，與慢掃描逐點(diǎn)切割不同。
再沉積減少了濺射產(chǎn)額的效果， 改變?yōu)R射輪廓。
產(chǎn)額的降低發(fā)生原因再沉積的材料 在濺射的區(qū)域重新著陸， 必需再一次濺射。
再沉積也給出完全垂直的邊墻沒有過分傾斜 樣品時(shí)不能被 FIB 切割的原因。
當(dāng)然也有部分原因離子束剖面尾礦密度和入射角度的降 低。
許多再沉積效應(yīng)的細(xì)節(jié)保持開放，諸如晶體曲線和通道效應(yīng)。
除了再沉積，在濺射過程中，表面粗糙度和陰影效應(yīng)是普遍存在的。
4 FIB 濺射技術(shù)的應(yīng)用 自從 FIB 濺射技術(shù)用于材料的移除之后，這項(xiàng)技術(shù)又被用于微工程學(xué)之下的各個(gè)領(lǐng)域： 昂貴的 X 射線防護(hù)面具、對于生物學(xué)和藥劑制品的研究等等。
這些都是 FIB 的新應(yīng)用之一： SIMS 技術(shù)、TEM 樣品制備、高長徑比顯微結(jié)構(gòu)、以及若干種其他的微米/納米結(jié)構(gòu)的制備。
這些組件的外形輪廓的范圍大致是從亞微米至數(shù)百微米。
制造出來的微腔用于制造聚合物微 組件，這些組件通常用于微光刻電鑄過程。
5 結(jié)論 介紹了聚焦離子束顯微鏡的基本功能及工作原理，分析了影響離子束顯微鏡的成像原 理。
聚焦離子束系統(tǒng)還可用于芯片的局部剖面制樣和觀察，是 VLSI 失效分析和失效機(jī)理研 究的重要工具。
借助于刻蝕氣體和薄膜沉積氣體，聚焦離子束系統(tǒng)可用于 UI5I/VLSI 芯片上 互連線的修改，進(jìn)行設(shè)計(jì)糾錯(cuò)，是研制 ULSI/VLSI 芯片的重要工具，避免多次流片所造成的 時(shí)間和金錢的巨大消耗。