高性能聚焦离子束(FIB)系统及其在材料科学领域的应用

1　引　言

高性能聚焦离子束系统(简称FIB)具有许多独特且重要的功能,已广泛的应用于半导体工业上[1-6],其特性在于能将以往在半导体设计、制造、检测及故障分析上许多困难、耗时或根本无法达成之问题一一解决。例如精密定点切面、晶粒大小分布检测、微线路分析及修理等。目前已是半导体业使用之仪器中成长最快之一。FIB通过离子束聚焦于样品表面,在不同束流及不同气体辅助的情况下,可分别实现图形刻蚀、绝缘和金属膜的淀积,纳米精度物体的制作,扫描离子成像等功能,能够以微米、纳米线度进行微加工和观察,可快速、高精度地为TEM、SEM、EDX、AEX等分析手段进行制样。近年来,FIB在材料科学研究领域也有了广泛的应用。本文结合型号为Seiko SMI2200的聚焦离子束系统将对FIB的功能和应用作介绍。

2　聚焦离子束系统的原理

FIB系统主要组成部分:离子源、离子束聚焦/扫描系统和样品台。离子经高电压加速通过透镜形成很小的离子束斑(在纳米级范围),轰击位于样品台上的样品。以Seiko SMI2200为例,该系统采用液态金属镓作为离子源,束流工作电压30KV,最大探针电流密度20A/cm2,离子束到达样品表面的束斑直径可达5nm。该系统还配备了一个用于气体增强刻蚀和薄膜淀积的辅助气体系统,在需要的时候,将辅助气体喷到离子束轰击区域使其发生化学反应,从而实现刻蚀速率的提高。整个系统工作在0.01Pa以上的高真空条件下。高能离子束扫描并轰击样品表面时,会造成表面发生气化、离子化等现象而溅出中性原子、离子、电子及电磁波。利用高能离子束与固体样品相互作用的机理,可实现的基本功能有:其主要功能有三:(1)高分辨率扫描离子显微图象(2)微区溅射(3)可蒸镀导体如钨或白金。

2.1　高分辨率扫描离子显微图象(SIM)

离子束扫描样品,会使样品表面散射出二次离子和二次电子,通过探测器的检测可形成样品的高清晰度、高分辨率的扫描离子图象(简称SIM),从成像来说,离子束的原理与扫描电子显微镜(SEM)相似,主要之差别在于FIB使用离子束作为照射源,而离子束比电子具大电量及质量,当撞击传入试片较内部时亦会造成晶格破坏等现象,最后入射离子可能植入试片内部。

2.2　微区溅射

利用离子束的溅射效应,FIB精确地对样品特定微区进行刻蚀,刻蚀深度由FIB的束流大小和刻蚀时间等参数决定,刻蚀形状由离子束的扫描范围决定。施加大电流可快速切割试片而挖出所需的洞或剖面。

2.3　特定区域沉淀薄膜

在FIB系统中引入辅助气体系统(MGS),当气体喷到样品表面,离子束使吸附在样品表面的反应气体分子分解成易挥发和不易挥发部分,前者被真空泵抽走,后者则在离子束轰击区域形成薄膜。用于沉淀薄膜的辅助气体为:用C沉淀碳膜,用CW沉淀钨膜。