第四章聚焦离子束的应用聚焦离子束是一种用途广泛的微纳米加工工具。
主要内容1.简介2.液态金属离子源3.聚焦离子束系统4.离子束在固体材料中的散射5.离子束加工6.聚焦离子束曝光（一）简介聚焦离子束（focused ion beam, FIB）与聚焦电子束的本质是一样的，但是两者又有很大的不同。
主要差别在于它们的质量，最轻的离子（如氢离子）也比电子重1000多倍。
离子束当然用来曝光，但不仅只用来曝光，还可以对材料进行溅射和沉积，因此聚焦离子束是一种更广泛的加工工具。
自1910年Thomson发明了气体放电型离子源后，离子束技术主要应用于物质分析、同位素分离和材料改性。
早期的离子源是等离子体放电式的，属大面积离子源。
真正的聚焦离子源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、小尺寸的特点，是目前所有聚焦离子束系统的离子源。
液态金属离子源加上先进的离子光学系统，可以获得只有5nm的最细离子束。
一方面，离子束本身可以对材料表面剥离加工；另一方面，以不同的液态金属作为源材料可以将不同的元素注入材料之中，起到对衬底材料掺杂的作用。
聚焦离子束与化学气体配合可以直接将原子沉积到衬底材料表面。
这些应用与聚焦离子束的高分辨能力相结合，使它们都具有微小尺度的特点。
因此，聚焦离子束是一种用途广泛的微纳米加工工具。
（二）液态金属离子源又名：熔融金属场发射离子源电流体动力离子源（1）电子轰击型离子源：通过热阴极发射的电子，加速后轰击气体分子，使气体分子电离。
这类离子源多用于质谱分析仪。
特点是束流不高，但能量分散小。
（2）气体放电型离子源：由气体等离子体放电产生电子。
如：辉光放电、弧光放电、火花放电离子源等。
这类离子源的特点是产生离子束流大，因此广泛应用于核物理研究，如高能加速器的离子源和离子注入机的离子源。
离子源分类（3）场致电离型离子源（4）液态金属离子源都是在大范围内（如电离室）产生离子，通过小孔将离子流引出。
因此离子流密度大，离子源面积大，不适合于聚焦成微小束。
一般的场离子发射器，均利用一尖端作为发射体。
尖端曲率半径为微米级。
对尖端加高电压以产生强大的电场，使附近的气体原子产生电离，离子以束状发射。
利用适当的后续透镜系统，即可获得高亮度、细聚焦的离子束输出。
场致电离型离子源•利用针尖电极附近强电场使吸附在针尖表面的气体原子电离•主要用于场致离子显微镜，研究针尖表面材料的原子结构利用强电场使气体原子或分子电离的现象称为场电离。
对自由原子，电子处于原子势阱中，需要克服电离能才可能逸出。
在强场中，电子较易穿过原子位垒而逸出。
液态金属离子源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。
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/sr，是场致气体电离源的20倍左右。
液态金属离子源的基本结构液态金属离子源液态金属离子源的离子发射是一个非常复杂的动态过程。
发射液尖的形状随电场和发射电流的变化而变化。
金属液体还必须保证源源不断地补充因离子发射而造成的物质流失。
因此，整个发射过程是一个电流体力学与场离子发射相互依赖、相互作用的过程。
液态金属离子源发射必须满足以下条件（三个维持）（1）发射表面必须维持一定的形状，从而保持一定的表面电场；（2）表面电场足以维持一定的发射电流与一定的液态流速；（3）表面流速足以维持与发射电流相应的物质流量损失，从而使发射表面能够维持一定的形状。
反映了表面形状、表面电场、发射电流和液体流速相互依赖与相互制约的关系。
在实际应用上，保持稳定、持续离子发射的一个最关键条件是保证液态金属和针尖的良好浸润。
（三）聚焦离子束系统本质上与电子束曝光系统一样。
都是由电子或离子发射源、电子或离子光柱、工作台、真空与控制系统组成。
将离子聚焦成细束的核心部件是离子光学系统。
离子光学与电子光学的最基本不同点是：离子具有不同的质量和电荷。
不同荷质比的离子在电磁场中受力情况不一样。
聚焦离子束系统典型的聚焦离子束系统为两级透镜系统对聚焦离子束电流的进一步控制通过限制膜孔来实现目前有多家公司可以提供聚焦离子束系统，其中以美国FEI公司的产品占主导（四）离子束在固体材料中的散射作为带电粒子，离子和电子一样在固体材料中会发生一系列散射。
离子在固体材料中的能量损失由两方面原因造成：一）原子核损失：离子与固体材料中原子的原子核碰撞将部分能量传递给原子，使原子移位或完全脱离固体材料表面，这一现象称为溅射。
二）电子损失：离子将能量传递给原子核周围的电子，使这些电子被激发产生二次电子，或剥离固体材料中原子的部分电子，使原子电离为离子，产生二次离子发射。
由于离子比较重，离子在固体材料中的穿透深度（又称为离子射程）很小。
衬底材料：硅离子离子电子能量50keV100keV50keV穿透深度50nm100nm10微米随着能量增加或离子质量降低，离子的穿透深度也会增加。
与电子不同的是，离子损失能量后会留在衬底材料中成为材料的一部分，这就是离子注入，是掺杂的一种方法。
程序SRIM(stoppingand range of ions inmatters)，可以免费下载，用蒙特卡洛方法模拟离子散射和溅射过程。
假定衬底材料为非晶沟道效应（channeling effect）如果衬底材料是晶体，在低指数晶向，即原子排列稀疏的方向，离子有可能长驱直入，穿透深度可能是非晶材料的数倍，这种现象称为沟道效应。
在这种情况下，离子能量损失主要是电子损失。
由于与材料原子碰撞的概率减小，材料原子被溅射出表面的产额也降低。
沟道效应会降低离子溅射率。
如果衬底材料是多晶，在同一表面会有不同的晶向。
离子溅射速率在表面各点不同，造成表面不平整。
这时可以通过表面原子掺杂人为地破坏晶格取向，消除离子长驱直入的沟道，使表面溅射均匀化。
（五）离子束加工离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工技术，是一种原子级的加工方法，具有极高的分辨率，广泛应用于航空航天制造等领域。
离子束溅射离子束刻蚀离子注入离子束辅助沉积审查与修改集成电路芯片修复光刻掩模缺陷制作透射电镜样品多用途微切割工具离子束加工可用作聚焦离子束离子束溅射利用离子源产生一定能量的离子束轰击置于高真空中的靶材，使其原子溅射出来，沉积在基底成膜的过程。
在比较低的气压下，从离子源射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。
离子束溅射镀膜的特点◆可方便地镀制各种金属( 包括难熔金属) 、合金、氧化物、氮化物及碳化物等化合物镀层，此外还可镀制多层复合镀层。
◆对绝缘材料基本也能稳定地镀膜◆镀层纯度高致密, 对环境无污染◆能方便地控制膜厚和膜层质量。
◆膜层与基体的结合力好◆在大面积基片上, 能获得均匀的薄膜离子束刻蚀（也称离子铣）随着半导体器件的发展，芯片图形精度越来越高，常规的湿法腐蚀由于难以避免的横向钻蚀，已不能满足高精度细线条图形刻蚀的要求，于是逐步发展了一系列干法刻蚀技术。
应用较普遍的有等离子刻蚀、反应离子刻蚀、二极溅射刻蚀、离子束刻蚀。
离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的。
对材料无选择性, 几乎所有的材料均可刻蚀。
只是不同材料的刻蚀速率不一样。
刻蚀速率与离子束能量、束流大小、离子束轰击表面的入射角以及被加工材料的原子结构、晶向等许多因素有关。
影响刻蚀速率的因素：1)刻蚀速率直接与轰击基片的离子能量有关。
随着电压的增加, 离子能量增加, 刻蚀速率增加。
2)为了避免或尽可能减少对离子轰击基片造成的损伤，要选择适当的速率并尽量减低电压。
刻蚀能量束流大小刻蚀速率随束流增加而增加离子束刻蚀特点及应用离子束刻蚀的特点：•方向性好，各向异性，陡直度高•分辨率高，可达到10nm•不受刻蚀材料限制（金属和化合物，无机物和有机物，绝缘体和半导体均可）•刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓离子束刻蚀应用：（1）由于离子束刻蚀对材料无选择性，特别适合对一些化学研磨、电介研磨难以减薄的材料进行减薄（2）由于离子束逐层剥离原子层所以具有微分分析样品的能力（3）适应于精密加工上图为利用离子束刻蚀技术得到的沟槽，下图为利用离子束刻蚀技术得到的全系闪耀光栅离子注入离子注入是采用高能离子轰击样品表面，使高能离子进入样品。
入射离子通过与样品中的原子碰撞，逐渐失去能量，最后停留在样品表层。
离子注入技术是半导体集成电路生产的一个重要工艺环节。
通过离子注入掺杂改变半导体材料的导电性，使之成为电子型或空穴型半导体。
但半导体工业的离子注入是大面积离子注入，注入的区域是由掩模控制的。
聚焦离子束注入是一种无掩模注入。
半导体晶体管所需要的掺杂元素都可以制成合金型液态金属离子源，如：硅半导体所需要的硼和砷等。
在聚焦离子束系统中安装一个离子分离器就可以将不同元素的离子注入到如何局部位置，注入的深度和分布可以通过离子能量与剂量控制。
聚焦离子束还可以在同一个样品的表面同时注入不同离子。
灵活性是聚焦离子束注入的主要优点，而低生产率则是它的主要缺点。
所以，聚焦离子束注入至今仍是在实验室范围内使用。
离子注入另一种离子注入技术，通过注入离子改变材料的耐刻蚀性质，实现选择性加工，构筑三维微结构。
镓离子注入硅材料后可以使硅的抗化学腐蚀性能大大提高。
如果选择性地在硅中注入镓离子，则镓离子注入的区域将在腐蚀硅的时候保留下来了。
◆先沉积一层硅，然后用聚焦镓离子束对硅层进行区域性注入；再沉积第二层硅，再注入镓离子；最后形成含有注入镓离子的多层硅。
◆把硅层腐蚀去除，留下由镓离子注入形成的三维微结构。
离子束辅助沉积在离子束刻蚀的过程中，如果被打出来的原子、原子团簇或分子不被真空系统抽走，那会怎么样呢？如果在样品表面的不是活性物质而是非活性物质，在离子束的轰击下，不会产生挥发性化合物被真空系统抽走，那么这些物质会沉积在材料表面。
假设在用某一技术沉积薄膜，同时也用离子束不断地轰击材料表面，这是一个离子溅射和分子沉积并存的过程。
两者处于一个相互竞争的状态。
