1.引言

隨著納米科技的發展，納米尺度制造業發展迅速，而納米加工就是納米制造業的核心部分，納米加工的代表性方法就是聚焦離子束。近年來發展起來的聚焦離子束（FIB）技術利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，配合掃描電鏡（SEM）等高倍數電子顯微鏡實時觀察，成為了納米級分析、制造的主要方法。目前已廣泛應用于半導體集成電路修改、切割和故障分析等。

2.原理

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，目前商用系統的離子束為液相金屬離子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)，金屬材質為鎵(Gallium, Ga)，因為鎵元素具有低熔點、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；

典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設備，外加電場于液相金屬離子源，可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor)牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑(Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的，結構示意圖如下圖：

3.應用

聚焦離子束系統除了具有電子成像功能外，由于離子具有較大的質量，經過加速聚焦后還可對材料和器件進行蝕刻、沉積、離子注入等加工。

3.1離子束成像

聚焦離子束轟擊樣品表面，激發二次電子、中性原子、二次離子和光子等，收集這些信號，經處理顯示樣品的表面形貌。目前聚焦離子束系統成像分辨率已達到5nm，比掃描電鏡稍低，但成像具有更真實反映材料表層詳細形貌的優點。

3.2離子束蝕刻

高能聚焦離子束轟擊樣品時，其動能會傳遞給樣品中的原子分子，產生濺射效應，從而達到不斷蝕刻，即切割樣品的效果。其切割定位精度能達到5nm級別，具有超高的切割精度。

使用高能了離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變為活性原子、離子和自由基，這些活性基團與樣品材料發生化學反應后的產物是揮發性，當脫離樣品表面時立刻被真空系統抽走。這些腐蝕氣體本身不與樣品材料發生作用，由由離子束將其離解后，才具有活性，這樣便可以對樣品表面實施選擇性蝕刻。在集成電路修改方面有著重要應用。

3.3離子束沉積薄膜

利用離子束的能量激發化學反應來沉積金屬材料和非金屬材料。通過氣體注入系統將一些金屬有機物氣體噴涂在樣品上需要沉積的區域，當離子束聚焦在該區域時，離子束能量使有機物發生分解，分解后的金屬固體成分被沉積下來，而揮發性有機物成分被真空系統抽走。

3.4離子注入

聚焦離子束的一個重要應用時可以無掩模注入離子。掩模注入是半導體領域的一項基本操作技術，利用聚焦離子束技術的精確定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半導體材料和器件上特定的點或者區域進行離子注入，精確控制注入的深度和廣度。

3.5透射電鏡樣品制備

透射電鏡的樣品限制條件是透射電鏡應用的一大難題，通常透射電鏡的樣品厚度需控制在0.1微米以下。傳統方法是通過手工研磨和離子濺射減薄來制樣，不但費時而且還無法精確定位。聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時，不但能精確定位，還能做到不污染和損傷樣品。

4.聚焦離子束的發展

聚焦離子束現已發展成與SEM等設備聯用。FIB-SEM雙系統可以在高分辨率掃描電鏡顯微圖像監控下發揮聚焦離子束的超微細加工能力。

在FIB-SEM雙束系統中，聚焦離子束和電子束優勢互補。離子束成型襯度大，但存在損傷樣品和分辨率低的缺點，電子束激發的二次電子成像分辨率高、對樣品損傷小，但襯度較低，兩者組合可獲得更清晰準確的樣品表面信息。

5.小結

本文簡單介紹了聚焦離子束（FIB）的基本原理、結構和應用。它的精確定位、顯微觀察和精細加工能力在電子領域有著重要應用。目前5nm的加工精度、無污染和不損傷樣品在樣品加工方面存在著巨大優勢，是其他樣品制備設備無法達到的水平。

編輯：jq