聚焦离子束技术：原理、特性与应用

聚焦离子束（Focused-Ion-Beam, FIB）技术是一种先进的微纳加工与分析手段。其基本原理是通过电场和磁场的作用，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米级别，并利用偏转和加速系统控制离子束的扫描运动，实现微纳图形的监测分析以及微纳结构的无掩模加工。

FIB系统基本组成

FIB系统由多个关键部分组成，如图1所示。离子源是系统的核心，通常采用液态金属离子源，如镓离子源。针型液态金属离子源的尖端是一个直径约几微米的钨针，针尖正对着孔径。在外加电场的作用下，加热金属使其液态化并浸润针尖，从而形成离子流。离子源发射的离子经过光阑限束后，由聚焦系统聚焦，再通过不同孔径的可变光阑，得到束流可控的离子束。离子束在偏转系统的控制下，按照特定路径进行扫描，最终通过物镜入射到样品表面。

由于离子轰击衬底会产生二次电子，通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）可以监测二次电子，从而获得样品表面的形貌图。这种同时具备FIB加工和观测功能的系统通常被称为双束系统，例如FIB-SEM双束系统和FIB-TEM双束系统。金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

FIB与电子束/光学光刻的对比

1.加工过程

FIB、电子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）和光学光刻（Photolithography）三种加工方式的本质都是将图形转移到特定衬底上，但由于工艺不同，其步骤和复杂程度也有所不同。光刻和EBL需要通过光或电子束使光刻胶变性，再通过显影将变性的光刻胶洗掉，从而将图案转移到光刻胶上。随后，通过刻蚀工艺将图案转移到衬底上。而FIB则可以直接利用离子束对样品表面进行定点轰击，完成微纳结构加工，无需光刻胶和掩模版。

2.从刻蚀角度分析三者

虽然三者都需要通过离子将特定位置的原子剥离以完成图案转移，但具体使用的离子和刻蚀方式有所不同。FIB需要离子源对环境条件要求低，并且能提供大束流。其刻蚀过程为物理过程，溅射逸出的颗粒大部分被真空泵抽走，但部分颗粒会掉落在刻蚀区域附近，尤其在刻蚀大深宽比器件时，这种现象更为严重，可能会对光学器件的性能产生较大影响。相比之下，光刻和电子束光刻大多采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（Induction Coupling Plasma-Reactive Ion Etching, ICP-RIE）。这种刻蚀方法结合了物理和化学过程，在离子对衬底的溅射基础上，增加了离子与衬底的化学反应并生成气体。通过抽气装置和调节气体流速，可以及时将衬底表面的气体抽运走，从而不影响加工精度。

3.从加工速度分析

在加工速度方面，光刻是最快的，且吞吐量最大，能够批量生产大量芯片。而EBL和FIB需要使用位移系统对刻蚀区域进行扫描。电子束只需诱导电子抗刻蚀剂变性，时间相对较短；而FIB需要对辐照区域进行剥离，对于面积大、深度深、精度高的刻蚀任务，所需时间较长。此外，光刻和EBL在刻蚀过程中由于有光刻胶保护，可以采用整体刻蚀，时间大大减少。

4.对比总结与光刻和电子束光刻相比，FIB的加工步骤明显减少，能够实现“即刻加工，所见即所得”，并且可以沉积微小结构。

其载物台可以实现多轴移动，结合离子注入可以控制结构的内部应力，从而加工复杂的三维结构。

FIB应用

1.微纳结构制备

FIB在微纳结构制备方面具有独特优势。与电子束光刻相比，FIB省去了繁琐的步骤，大大减少了加工参数的摸索时间，同时可以加工特征尺寸特别小的结构（几十纳米）。然而，其加工面积较小，加工的侧壁可能不够陡直。

2.芯片修补与线路编辑

FIB的离子束加工功能使其不仅可以刻蚀，还可以利用高能离子辐照诱导特定区域发生化学气相沉积反应。结合离子束轰击产生的二次电子，可以观察样品表面形貌图像。FIB的“看”、“刻”、“生长”功能使其非常适用于芯片或掩模（Mask）的缺陷修复，例如切断短路、对断路进行沉积等。

3.透射电镜（TEM）制样

透射电镜（TEM）样品需要非常薄，以便电子能够穿透并形成衍射图像。FIB的灵活多轴载物台可以对样品进行复杂操作，从而轻松完成TEM样品的制备。