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聚焦离子束（FIB）系统结构原理和用途
FIB-基础 2010-12-21 08:22:04 阅读125 评论0 字号：大中小 订阅
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示意图
聚焦离子束系统 （FIB-focused ion beam）商业化制造已经接近30年。最初主要供应给大型半导体制造商。
聚焦离子束 FIB,利用镓离子在很高的空间分辨率下切割去除材料。这样可以在样品特殊的位置制作剖面（断面）。样品既可以直接在FIB中研究，也可以转移到扫描电镜或者透射电镜中进行精细分析。当镓离子和一定气体作用，它也有可能沉积材料。因此FIB在很广阔的应用范围内能被用于多功能工具使用。
FIB系统的操作除了不用电子束以外和扫描电镜工作方式非常相似。大多数FIB系统装备液态金属离子源（LMIS），加热的同时伴随一定的拔出电压，获得镓离子束。通过一套电子透镜精细聚焦的镓离子束，在束偏转线圈的作用下，形成扫描光栅。离子束的能量分散约为5ev，为了降低像差，在离子束光轴上设置光阑，为了消除象散，使用八级线圈作为消象散器。如果是合金离子源，通过质量选择器来选择离子。离子束可通过溅射对样品局部进行移除，局部沉积，也可以材料FIB表面成像。
由于离子束加工刻蚀的图案不是连续的，因此需要Beam blanking装置。这个和电子束曝光机中的功能是相同的。
由于电磁透镜的聚焦力直接与荷质比相关，不可能制造电磁透镜（这需要几公里的线圈）用于聚焦离子。因此聚焦和离子束的各种操作都是采用静电透镜。而不是用于电子的磁透镜。
最小束斑尺寸的限制：
主要：由于空间电荷效应，在离子源处形成的能量分散，引起的色差。
其次：静电透镜的球面像差。
最终FIB的空间分辨率限度取决于与样品作用下的信噪比，通常为10nm。
真空系统：离子束需要真空度较高，10的负6Pa.
如左图所示，镓初级离子束轰击样品表面，从样品表面溅射出少量二次离子或者中性原子，初级离子束也产生二次电子(ISE)。当初级离子束在样品表面光栅扫描的时候，通过收集溅射离子或者二次电子(ISE)形成图像
离子源：
LMIS 结构原理。针尖为钨经过腐蚀后获得曲率半径为10μm级别，决定离子源的直径大小。拔出电压在针尖附件产生很大的电场10的10次方 V/m。静电力和Ga与W针尖的表面张力平衡，导致在针尖Taylor cone 形成。发射电流为2微安，在泰勒锥（Taylor cone）顶端形成一个5nm尺度的尖端。离子源为聚焦离子束系统提供稳定的，可聚焦的离子束，其尺寸直接影响分辨率。
主要参数：亮度、离子源尺寸、稳定性、寿命。
材质：1、液态金属离子源--Ga Si Be Pd As Sb In等多种离子源， 分辨率4-6nm
镓：熔点低30摄氏度，蒸汽压低，与针尖材料不发生反映，蒸发率很低。
源尺寸 50-100nm，
亮度： 10六次方 A/（cm2. sr）
发射稳定：常温下 10的-5次方Pa可以工作。应用广泛。
寿命：大于1500小时
2、合金离子源--AuSi，AuSiB，PdAs，PdAsB,NiB，NiAs等
源尺寸：1nm，亮度10的九次方，穿透能力比电子束弱，因此可以表征更真实的形貌。反差机理也比较独特。
离子源的多样化，使得聚焦离子束系统的功能和结构也呈现多样化，大大促进了聚焦离子束的发展。
样品室和样品台：
和扫描电镜的相同，大部分聚焦离子束系统和扫描电镜集成为一体的，电子束、离子束双束系统，在共聚焦处一起工作。这就要求样品室的几何结构合理，适合发挥每个系统的最佳性能。同时要求机械系统的稳定和长期可靠的精度。
样品台需要机械对中样品台，在样品倾斜调整的时候，观察和操作的视野保持不变，保持聚焦。
样品台可以测量总的电荷。
样品室安装气体注入系统装置，是FIB装置最主要的附加功能，
提高刻蚀速率，
定位CVD二次电子诱导沉积导电材料（W、Pt、C），或者非导电材料（SiO2）， 探测器：二次电子探测器，--se
EDS,WDS----x-ray光电倍增器 --SI
质量选择器-- 溅射离子
二次离子质谱--SI
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