2.3聚焦離子束功能3.1成像與SEM中生成圖像的方式相同，聚焦的離子束也可以在樣品表面上光柵掃描，并且可以檢測發(fā)射的電子、粒子（原子和離子）和電磁輻射。傳統(tǒng)的SEM成像是基于對(duì)二次電子（SE）的檢測。到目前為止，F(xiàn)IB中的大多數(shù)成像都是基于檢測低能電子，通常被稱為離子誘導(dǎo)二次電子（Ion-InducedSecondaryElectron,ISE）。3.1成像通常，每個(gè)入射的5–30keVGa離子會(huì)產(chǎn)生1–10個(gè)能量低于10eV的二次電子。這些電子產(chǎn)自受離子束輻照的樣品區(qū)最頂層的幾個(gè)原子層區(qū)域，在這些原子層中，入射離子撞擊固體，產(chǎn)生的背散射或?yàn)R射粒子離開樣品。低能電子的總產(chǎn)率強(qiáng)烈地取決于表面氧化和污染，因此將隨著表面被濺射清潔和Ga的吸收而改變。圖2-5（a）黃銅中FIB切割截面的二次電子（SE）和（b）離子誘導(dǎo)的二次電（ISE）圖像。FIB刻蝕過程中產(chǎn)生的表面形貌和相位襯度在兩個(gè)圖像中都是可見的。較重的第二相沉淀物在SE圖像中是亮的，而在ISE圖像中是暗的。顯示晶粒結(jié)構(gòu)的通道襯度僅在ISE圖像中可見。3.1成像離子束不像電子束那樣聚焦精細(xì)，部分原因是它們通常提供較低的分辨率。然而，ISE生成的圖像襯度機(jī)理與SE生成的襯度機(jī)理不同，并且可以提供關(guān)于樣品表面的補(bǔ)充信息。同一樣品的SE和ISE圖像如圖5示。SE（圖2-5a）和ISE（圖2-5b）圖像都顯示了由于表面形貌和材料差異而產(chǎn)生的襯度。然而，ISE成像通常比SE成像提供更強(qiáng)的晶體通道襯度。由晶體取向引起的襯度很容易與材料襯度區(qū)分開來，因?yàn)榫w襯度隨離子束的入射角而變化，而材料襯度不隨離子束入射角而改變。在Cu或Au等理想樣品中，ISE溝道襯度可以顯示窄至20nm的孿晶片層和小至50nm的晶粒。3.1成像不同的襯度機(jī)制如圖2-6所示。圖2-6a和2-6b的比較表明，當(dāng)晶體取向?yàn)殡x子沿晶面“通道”時(shí)，與表面附近樣品原子的離子相互作用較少，因此發(fā)射的電子較少。圖4c表明，較重的樣本通常會(huì)導(dǎo)致更多的ISE（和SE）。圖4d顯示，由于樣品表面附近離子-固體相互作用的數(shù)量增加，表面形貌會(huì)導(dǎo)致ISE（和SE）的數(shù)量增加。SE和ISE圖像也經(jīng)常通過絕緣樣品中產(chǎn)生的電荷量來區(qū)分。3.1成像圖2-6顯示（a）、（b）晶體取向、（c）原子質(zhì)量和（d）表面幾何形狀對(duì)30keVGa+碰撞級(jí)聯(lián)和ISE圖像對(duì)比度形成的影響的示意圖。（c）中的橙色原子比（a）、（b）和（d）中的黃色原子質(zhì)量更大。類似的概念影響濺射產(chǎn)率。01據(jù)推測，由于Ga注入在樣品表面形成薄導(dǎo)電層，導(dǎo)致低能/二次電子產(chǎn)率可能有差異，所以FIB通?？捎糜趯?duì)未鍍膜的絕緣體樣品進(jìn)行成像，而這類樣品即使在SEM使用低電壓時(shí)也難以成像。然而，重要的是要記住，離子束成像總是會(huì)導(dǎo)致樣品表面的一些Ga注入和樣品濺射。02聚焦離子束的成像原理與掃描電子顯微鏡基本相同，都是利用探測器接收激發(fā)出的二次電子來成像，不同之處是以聚焦離子束代替電子束。聚焦離子束轟擊樣品表面，激發(fā)出二次電子、中性原子、二次離子和光子等，收集這些信號(hào)，經(jīng)處理顯示樣品的表面形貌。033.1成像目前聚焦離子束系統(tǒng)的成像分辨率已達(dá)5～10nm，盡管比掃描電子顯微鏡低，但聚焦離子束成像具有更真實(shí)反映材料表層詳細(xì)形貌的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)用Ga離子轟擊樣品時(shí)，正電荷會(huì)優(yōu)先積聚到絕緣區(qū)域或分立的導(dǎo)電區(qū)域，抑制二次電子的激發(fā)，因此樣品上絕緣區(qū)域和分立的導(dǎo)體區(qū)域會(huì)在離子像上顏色較暗，而接地導(dǎo)體會(huì)亮些，這樣就增加了離子成像的襯度。對(duì)于同種材料，離子束成像時(shí)，不同晶面的二次電子、二次離子產(chǎn)額有較大的差別，造成各晶面形成不同襯度的圖案。利用這一原理可以對(duì)多晶材料(如金屬)薄膜的晶粒取向、晶界的分布和取向做出統(tǒng)計(jì)分析。不同材料對(duì)離子束成像的貢獻(xiàn)差別也會(huì)很大。如果材料富含碳的氧化物，離子束成像時(shí)該區(qū)域亮度就高，因此離子束比電子束在腐蝕材料或氧化物顆粒的成像分析方面具有明顯的優(yōu)勢。3.1成像為達(dá)到高分辨率，需要制作更為精細(xì)的探針，并且探針與樣品的作用區(qū)域要小。追求高分辨率的同時(shí)要保證成像質(zhì)量，所以要激發(fā)出足夠多的二次電子和離子。氣體場發(fā)射離子源如H、He、O和Ne等的亮度達(dá)到109A／(cm2.sr)，源尺寸可小到lnm，具有液態(tài)金屬離子源等其它離子源難以達(dá)到的亮度高、虛擬尺寸小、能量色散小等優(yōu)點(diǎn)，在納米量級(jí)加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于氣體場發(fā)射離子源需要極高的真空，且工作在液氮低溫環(huán)境，發(fā)射不夠穩(wěn)定，工作壽命較短，維護(hù)成本高，氣體場發(fā)射離子顯微術(shù)還處于研發(fā)階段。3.2刻蝕離子束刻蝕可分為物理離子束刻蝕與反應(yīng)離子束刻蝕。用作離子源的金屬元素的原子量往往較大(如鎵的原子量為69.72，質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子)，當(dāng)高能離子束(常為幾十keV)轟擊樣品時(shí)，其動(dòng)量會(huì)傳遞給樣品中的原子或分子，產(chǎn)生濺射效應(yīng)。選擇合適的離子束流，可以對(duì)不同材料的樣品實(shí)施高速微區(qū)刻蝕。利用聚焦離子束可以對(duì)納米級(jí)材料如氧化鋅納米帶進(jìn)行加工；還可以對(duì)微米量級(jí)尺寸的材料進(jìn)行加工，如在光纖上刻蝕周期結(jié)構(gòu)圖案。類似于集成電路工藝中的干法腐蝕，如將一些鹵化物氣體（前驅(qū)體）直接導(dǎo)向樣品表面，在離子束的轟擊下就可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)刻蝕。其原理是用高能離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變?yōu)榛钚栽印㈦x子和自由基，這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物是揮發(fā)性的，當(dāng)脫離樣品表面時(shí)立即被真空系統(tǒng)抽走。3.2刻蝕這些腐蝕氣體本身并不與樣品材料發(fā)生作用，而由離子束將其離解后，才具有活性。這樣，便可以對(duì)樣品表面實(shí)施選擇性的刻蝕(如可用氟化物氣體腐蝕硅，氯化物氣體腐蝕鉛等)。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(增強(qiáng)刻蝕法)在刻蝕速率、材料的選擇性、深孔側(cè)壁的垂直性上都較物理離子束刻蝕有了大幅度的提高。3.3沉積除了利用離子束的濺射作用實(shí)現(xiàn)刻蝕功能外，還可利用離子束的能量激發(fā)化學(xué)反應(yīng)來沉積金屬材料(如：Pt、W、Au等)和非金屬材料(如Si、SiO2等)。離子束沉積工作原理如圖2-7所示。在氣體噴出口附近的局部范圍產(chǎn)生約130mPa的壓強(qiáng)，在工件室的其它地方和離子柱體中氣壓要低2個(gè)～3個(gè)數(shù)量級(jí)。通過氣體注入系統(tǒng)將一些金屬有機(jī)物氣體(或含有Si、O鏈的有機(jī)物氣體)噴涂在樣品上需要沉積的區(qū)域，當(dāng)離子束聚焦在該區(qū)域時(shí)，離子束能量使有機(jī)物發(fā)生分解，分解后的固體成分(如Pt或SiO2)被淀積下來，而那些可揮發(fā)的有機(jī)成分則被真空系統(tǒng)抽走。3.3沉積圖2-7選擇性（局部）氣體輔助FIBID的概念。揮發(fā)性物理吸附分子通過輻射分解為揮發(fā)性和非揮發(fā)性碎片，后者形成沉積物（綠色球體）。入射離子通常達(dá)到keV能量，而被激表面原子（ESA）和SE具有eV能。ESA是由級(jí)聯(lián)碰撞（反沖原子）產(chǎn)生的，其能量低于表面結(jié)合能（未濺射）。有關(guān)研究表明：在較低的離子束流下由于金屬有機(jī)氣體未被充分分解，因而沉積速率較低；隨著離子束流的增大，分解效率逐漸增高，沉積速率也相應(yīng)加快。在合適的束流下所有氣體幾乎被完全分解利用,此時(shí),沉積速率達(dá)到最大值；若離子束流繼續(xù)增大，與氣體反應(yīng)后多余的束流就會(huì)對(duì)已沉積好的區(qū)域產(chǎn)生刻蝕作用,反而使沉積速率逐漸減慢。3.4離子注入聚焦離子束的一個(gè)重要應(yīng)用是可以無掩模注入離子。掩模注入是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一項(xiàng)基本操作技術(shù),利用聚焦離子束系統(tǒng)的精確定位和控制能力,就可以不用掩模版,直接在半導(dǎo)體材料和器件上特定的點(diǎn)或者區(qū)域進(jìn)行離子注入,精確控制注入的深度和廣度。與傳統(tǒng)的掩模注入法相比,運(yùn)用聚焦離子束系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)離