2.1聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)011聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聚焦離子束系統(tǒng)是用聚焦離子束代替掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)中所用的質(zhì)量很小的電子作為儀器光源的顯微分析加工系統(tǒng)。圖1給出了聚焦離子束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在離子柱頂端的液態(tài)離子源上加一強(qiáng)電場來抽取帶正電荷的離子，通過位于柱體中的靜電透鏡、可控的四極／八極偏轉(zhuǎn)裝置，將離子束聚焦并在樣品上掃描，收集離子束轟擊樣品產(chǎn)生的二次電子／二次離子，獲得聚焦離子束顯微圖像。為避免離子束受周圍氣體分子的影響，真空系統(tǒng)保證離子柱在高真空條件下(10-5～l0-6Pa)工作。樣品室中裝有多自由度樣品臺，以實(shí)現(xiàn)對樣品不同位置和角度的分析/加工。1聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-1聚焦離子束結(jié)構(gòu)圖1.1離子源聚焦離子束之所以能在科學(xué)研究和工業(yè)(主要是半導(dǎo)體工業(yè))中得到重要應(yīng)用,是由于20世紀(jì)80年代在高亮度離子源方面的成就。高性能的聚焦離子束必須符合這樣的條件,在直徑小于1μm的離子探針中至少包含10～5000pA的離子流,即靶上束流密度必須大于1A/cm2。這樣一個(gè)束流密度指標(biāo)和場發(fā)射電子源相比是一個(gè)低指標(biāo)。對電子探針來說,在直徑為1nm的探針中可包含10nA的束流,束流密度可達(dá)到106A/cm2。但對離子源來說,這是一個(gè)高指標(biāo)。在液態(tài)金屬離子源之前廣泛應(yīng)用的等離子體源,在亞微米直徑的探針中只包含幾個(gè)pA的束流。能滿足上述要求的離子源必須是場發(fā)射型的點(diǎn)源,液態(tài)金屬離子源正是這樣一種源。場離子源對于聚焦離子束系統(tǒng)的重要性,正像場電子源對掃描電鏡和電子束曝光系統(tǒng)一樣。高束流密度離子探針的發(fā)展,直接導(dǎo)s致了微米尺度的微加工以及掃描離子顯微鏡和高分辨二次離子質(zhì)譜儀的實(shí)現(xiàn)。1.1離子源液態(tài)金屬離子源起源于帶電荷的液體噴咀性質(zhì)的研究。1964年,泰勒曾從噴咀液體的表面張力和外加的靜電力的平衡,計(jì)算出穩(wěn)定的噴咀結(jié)構(gòu)應(yīng)是半錐角為49.3的錐體,稱為泰勒錐。隨后的研究工作證明,從液態(tài)金屬帶電的微液滴上可以發(fā)射出電子或離子,視所加外場的極性而定。Mahoney第一個(gè)發(fā)現(xiàn),可以利用這種液態(tài)金屬來產(chǎn)生單原子離子束,他們用毛細(xì)管來輸送液態(tài)Cs。以后又有人發(fā)展用針尖表面輸送液態(tài)金屬的技術(shù),這種結(jié)構(gòu)后來得到廣泛的應(yīng)用。液態(tài)金屬離子源發(fā)射離子的主要機(jī)制是場蒸發(fā)。所謂場蒸發(fā),是一種越過由于外場而降低了的離子勢壘的熱激活過程。在無外場時(shí)表面原子的離子態(tài)相對于中性狀態(tài)通常是亞穩(wěn)態(tài),當(dāng)存在強(qiáng)的外場(～108V/cm)時(shí),離子的勢能曲線和中性原子的勢能曲線發(fā)生交叉,產(chǎn)生了一個(gè)降低了的離子位壘。當(dāng)熱激活能超過這個(gè)位壘時(shí),離子就可以從液態(tài)金屬中發(fā)射出來。離子發(fā)射的勢壘可表示成:1.1離子源??=Λ+???Φ?12[??2??3??????0]1/2(2.1)式中Λ是一個(gè)中性表面原子的蒸發(fā)熱，Ι是原子的電離電位，Φ是功函數(shù),最后一項(xiàng)是外場F產(chǎn)生的位壘的降低量。離子越過這個(gè)勢壘的場蒸發(fā)幾率是:??=γexp?(?1????)(2.2)圖2-2液態(tài)金屬離子源實(shí)物圖及工作原理除上述熱激發(fā)產(chǎn)生的離子發(fā)射外,離子隧穿表面勢壘也存在一定的幾率,溫度在100K以下,熱激發(fā)和隧穿效應(yīng)是同等重要的。液態(tài)金屬離子源的發(fā)射特征可以概述如下:1.1離子源1.虛源(dv)液態(tài)金屬離子源是點(diǎn)源,從一般的理論考慮,它可以有很小的虛源,正像場發(fā)射電子源一樣。但通過間接的測量得出的虛源直徑dv≈40～50nm。這個(gè)數(shù)值比場發(fā)射電子源大了約5～10倍。虛源大小和許多因素有關(guān)。根據(jù)量綱分析和MonteCarlo模擬的結(jié)果????∝??0.23??0.45???0.91??0.77(2.3)其中,M是離子質(zhì)量,I是發(fā)射電流,V是引出電壓,l是長度,包括離子發(fā)射端的曲率半徑和離子向后“行走”的長度兩個(gè)因素。液態(tài)金屬離子源的虛源之所以大的最主要原因是在發(fā)射尖端附近強(qiáng)烈的空間電荷效應(yīng)所引起的離子軌跡位移。1.1離子源角電流強(qiáng)度(I′)這是指單位立體角中的電流,它和總發(fā)射電流I以及引出極電壓V成正比??'∝????(2.4)實(shí)驗(yàn)測得的對Ga,Al,In等源,I′的閾值近似為20μA/Sr。從角電流強(qiáng)度計(jì)算出的液態(tài)金屬離子源的亮度約為106A/(cm2.Sr),實(shí)際測量證實(shí)了這一點(diǎn),說明液態(tài)金屬離子源是一種亮度稍低于場發(fā)射電子源的高亮度離子源,后者的亮度為108A/(cm2.Sr)。這一點(diǎn)是獲得高性能聚焦離子束的關(guān)鍵。1.1離子源能量分散(ΔE)實(shí)驗(yàn)測出對幾種常用的液態(tài)金屬離子源的能量分布的FWHM都大于5eV,不論發(fā)射電流如何低。量綱分析和MonteCarlo模擬的結(jié)果可以表示為:???∝(????12)0.80??0.62???0.87???0.07(2.5)式中q是離子電荷,l是長度。上式中最有意義的一項(xiàng)是IM1/2,這個(gè)項(xiàng)在任何的理論分析模型中都出現(xiàn),并且解釋了為什么液態(tài)金屬離子源的能量分散比場發(fā)射電子源大得多的原因,后者ΔE≈0.3eV。原因在于在源的發(fā)射尖端處強(qiáng)烈的空間電荷效應(yīng)引起的Boersch效應(yīng)。大的能量分散和大的虛源都給聚焦離子束的性能造成了不良的影響。1.1離子源伏安特性對大多數(shù)液態(tài)金屬離子源,為了形成一個(gè)在外場作用下穩(wěn)定的液體發(fā)射錐,都存在一個(gè)最低的閾值電流,這個(gè)電流值大約在1～2μA。液態(tài)金屬離子源的總的發(fā)射電流和引出電壓的關(guān)系(伏安特性)的一個(gè)明顯特點(diǎn)是非常高的dI/dv值,即I～V曲線非常陡。改變基底(即針尖)的尺寸和形狀,可以改變I～V曲線的陡度。1.1離子源束流起伏對應(yīng)用于FIB的離子源來說,不僅需要有大的角電流密度和低的能量分散,而且要求束的起伏小于一定的值,例如1%/h。對于高的加速電壓和帶電粒子的點(diǎn)源,束流起伏,即噪聲是獲得高分辨率圖像的一個(gè)限制因素。按Rose判據(jù),可探測信號電平至少應(yīng)為噪聲電平的5倍。一幀看上去比較滿意的圖像,信噪比應(yīng)在50以上。液態(tài)金屬離子源具有低的噪聲。Ga源,總束流在2.0μA時(shí),根據(jù)噪聲譜密度積分求出的束流噪聲為0.3%/h,接近散彈噪聲的極限。低的噪聲是液態(tài)金屬離子源能應(yīng)用于掃描離子顯微鏡(SIM)而獲得好的圖像的關(guān)鍵。1.1離子源聚焦限制在比較近似的計(jì)算中,我們假定總的聚焦離子束直徑為:??2=????2(????2+????2+????2)(2.6)Mt是離子光學(xué)柱體的總放大率,dc,ds分別為物鏡的色差和球差圓斑直徑。由于液態(tài)金屬離子源大的虛源直徑和大的能量分散,一般情形下,ds2<dc2+dv2而把ds略去。這時(shí)可推出聚焦束內(nèi)的電流密度:??=[?????2???????2[2????????]??'???2](2.7)上式中I′/ΔE2一項(xiàng)常被定義為液態(tài)金屬離子源的品質(zhì)因素。為了提高束流密度,必須提高源的品質(zhì)因素。量綱分析得出的結(jié)果是:1.1離子源聚焦限制??'???2∝???0.80???0.60(2.8)這說明,為了獲得大的束流密度J,必須使用盡可能小的M和I值。對常用的Ga源,最大品質(zhì)因素可達(dá)到0.8,一般情形下只能達(dá)到0.5。1.1離子源離子束中的化學(xué)成分和源的壽命對液態(tài)金屬離子源發(fā)射出來的離子束進(jìn)行質(zhì)譜分析,可以精確地定出束中的化學(xué)成分。對Ga源來說,在總發(fā)射電流為5μA時(shí),分析結(jié)果如下表:這就表明,除了單電荷單質(zhì)量的Ga離子外,還存在著多電荷單質(zhì)量的離子,以及單電荷的離子團(tuán)。發(fā)射電流越大,雜的離子比例越高。在10μA以下,主要是單電荷單質(zhì)量正離子。這也是限制液態(tài)金屬離子源應(yīng)用于小的發(fā)射電流(～2μA)的原因之一。和場發(fā)射電子源不同,離子的發(fā)射意味著源的物質(zhì)的喪失。一般商品液態(tài)金屬離子源結(jié)構(gòu)大約可容納15mg的Ga。如果忽略蒸發(fā)和中性原子發(fā)射,它的壽命按公式計(jì)算可達(dá)到5624μAh。如果總發(fā)射為2μA,則壽命大約為2800h。1.1離子源離子束中的化學(xué)成分和源的壽命液態(tài)金屬離子源除了Ga以外，還有Si、Be、Pd、As、Sb、In等多種離子源，其尺寸可小至50nm～100nm，亮度高達(dá)106A/(cm2.Sr)，發(fā)射穩(wěn)定，可滿足微納米尺度聚焦離子束加工的要求。液態(tài)金屬離子源結(jié)構(gòu)比較簡單，在常溫和10-5Pa真空下就可工作，因而得到廣泛應(yīng)用，目前大多數(shù)商業(yè)聚焦離子束都采用液態(tài)金屬離子源（Ga），其壽命超1000h。此外還有許多合金離子源，例如AuSi、AuSiB、PdAs、PdAsB、NiB、NiAs等，對于這些合金離子源系統(tǒng)，必須安裝離子質(zhì)量分析器。離子質(zhì)量分析器用來篩選所需要的離子。常用的有EXB離子質(zhì)量分析器和磁離子質(zhì)量分析器。由于EXB離子質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)小巧，且離子通過分析器后保持方向不變，因此在聚焦離子束系統(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用。1.2離子光學(xué)柱體除離子源外,離子光學(xué)聚焦系統(tǒng)的研究也是一個(gè)重要的問題。由于離子的質(zhì)荷比,例如最常用的Ga,比電子高出105倍,以前發(fā)展起來并日趨成熟的電子光學(xué)設(shè)計(jì)已完全不適用了。SEM電子光學(xué)柱體中的磁聚焦系統(tǒng)必須代之以靜電聚焦系統(tǒng),組成離子光學(xué)柱體,而后者的像差系數(shù)(主要是球差和色差)比前者要高得多。此外,為了獲得化學(xué)上純的離子源,還要考慮在離子光學(xué)柱體中加入粒子質(zhì)量分析器,這是一種曲軸光學(xué)系統(tǒng)。這就給聚焦離子束光學(xué)柱體的設(shè)計(jì)帶來了許多新的問題。1.2離子光學(xué)柱體圖2-3單電位靜電透鏡首先必須認(rèn)識到,在離子光學(xué)柱體中不能應(yīng)用所熟悉的磁透鏡作為聚焦單元,這是由于磁透鏡的聚集能力和帶電粒子的荷質(zhì)比(e/m)的1/2次方成正比,由于離子,例如Ga+的質(zhì)量約為電子的105倍,磁透鏡對離子的聚焦能力比對電子的約小300倍。也就是說,為了達(dá)到和對電子相同的聚焦能力,磁透鏡的磁路和激勵(lì)安匝都將驚人地增長,以至實(shí)際上成為不可能。因此FIB的聚焦單元只能是靜電透鏡。與此相伴隨的一個(gè)問題是離子光學(xué)柱體質(zhì)量的下降,按CreweA的分析,對靜電透鏡,球差和色差系數(shù)可分別表示成:????≈20??3/??2;????≈2??(2.9)1.2離子光學(xué)柱體式中f是焦距,L=4a,a是與軸上電位分布有關(guān)的一個(gè)特征長度,例如對于單電位透鏡,a是軸上電位的鐘形場分布的半高寬。而對磁透鏡,????≈5??3/??2;????≈??(2.10)其中L=4.47a，a是鐘形場軸上磁場分布的半高寬?？梢钥闯?在焦距相同時(shí),磁透鏡的球差系數(shù)比靜電透鏡約小4倍,而色差系數(shù)則約小2倍,而實(shí)際上靜電透鏡的焦距比磁透鏡長,當(dāng)加速電壓為50kV時(shí),靜電透鏡的焦距最小只能做到6～7mm,而對磁透鏡,做到～1mm并不是困難的事。因此磁透鏡和靜電透鏡相比占有極明顯的優(yōu)勢,這就是在電子顯微鏡發(fā)展的歷史上靜電式電子顯微鏡最終被淘汰的根本原因。除此之外,它對于精密機(jī)械加工和超高真空技術(shù)的要求,以及加速電壓調(diào)節(jié)的不靈活也是導(dǎo)致失敗的原因。1.2離子光學(xué)柱體在電子顯微鏡發(fā)展的初期,人們還沒有從理論上和實(shí)踐上充分認(rèn)識到這一點(diǎn),在長達(dá)二十多年的時(shí)間里,靜電式電子顯微鏡和磁式電子顯微鏡一直在進(jìn)行著激烈的竟?fàn)?最后以靜電式電子顯微鏡退出歷史舞臺告終。最后一臺靜電式電子顯微鏡(EM8)生產(chǎn)于1956年,由德國Zeiss公司生產(chǎn),加速電壓只達(dá)到50～70kV,分辨率2.0nm,此后靜電透鏡只被應(yīng)用在發(fā)射式電鏡,電子束器件,如CRT,電視攝像管,粒子加速器以及電子譜儀等中。聚焦離子束技術(shù)的興起使靜電透鏡再度受到人們的重視。它雖然有很多缺點(diǎn),但它的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn),是在相對論效應(yīng)不太顯著的情形下,對帶電粒子的聚焦能力和荷質(zhì)比無關(guān)。在磁透鏡對離子失去聚焦能力的情形下,它取代了磁透鏡的地位。1.2離子光學(xué)柱體整個(gè)FIB的光學(xué)柱體包括液態(tài)金屬離子源、離子槍透鏡(聚光鏡)、消像散器、偏轉(zhuǎn)對中系統(tǒng)、物鏡、以及二次電子和二次離子探測器。在某些系統(tǒng)中還包括質(zhì)量分析器和二次離子質(zhì)譜分析器,一個(gè)FIB系統(tǒng)的例子見圖2。由于液態(tài)金屬離子源的能量分散大,尋找低色差系數(shù)的靜電透鏡成為一種迫切的需要。在這方面Orloff等提出的不對稱三電極系統(tǒng)有較好的性能,在FIB的光學(xué)柱體中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)我們考慮如何評價(jià)一個(gè)聚焦離子束的質(zhì)量問題時(shí),我們會遇到比評價(jià)掃描電鏡更多的問題。在掃描電鏡中,我們主要關(guān)心成像的分辨率;而對FIB,除了離子束掃描成像以外,還要考慮離子注入,微加工等等。對前者,我們關(guān)心的是束流密度分布J(r)的半高寬,而對后者,我們關(guān)心的是整個(gè)束流分布的形狀,特別是它的尾部。一個(gè)能給出最好的成像分辨率的離子束流密度分布,并不一定能完成最好的微加工和離子注入。1.2離子光學(xué)柱體分析表明,J(r)隨著光學(xué)柱體的聚焦條件而靈敏地改變。FIB中的束流密度分布通常都有比較長的尾部,而引起長尾部的根本原因是大的球差和強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)。離子束中包含的束流決定于源的亮度,能量分散,加速電壓,物鏡的球差和色差系數(shù)等多種因素。當(dāng)離子探針的直徑是由物鏡的色差所限制時(shí),束徑dt和束流I的關(guān)系由下式給出:????={????24????2??+(0.34)2????2?????2??2}1/2(2.11)式中E是能量,B是色亮度,是普通定義的亮度除以加速電壓后所得的亮度,α是半束角,dt定義為包含50%總束流的全寬度,即F50。最佳孔徑角為:????????,??=2.08??????(???????)(2.12)1.2離子光學(xué)柱體在最佳孔徑角下,束流和束徑的關(guān)系為:????=5.3????4??????3/(????2???2)(2.13)在球差限制的情形下,????={[??1/2??2??1/2????1/2]1.3+(0.18??????3)1.3}1/1.3(2.14)????????,??=1.24????1/3/????1/3(2.15)????=2.44????8/3??????/????2/3(2.16)一般情形下,當(dāng)加速電壓為25kV時(shí),總束流在0.5～2.6nA范圍內(nèi),靶上束色亮度僅為0.2～2A/(Sr.V.cm2),比液態(tài)金屬離子源的色亮度低約2個(gè)數(shù)量級。靶上色亮度降低的原因是離子束中強(qiáng)烈的空間電荷效應(yīng)。1.2離子光學(xué)柱體靶上色亮度的降低使掃描離子顯微鏡圖像的信噪比和分辨率比場發(fā)射掃描電子顯微鏡差得多。為了避免強(qiáng)的空間電荷效應(yīng),成像束流都用得很低(～1pA),因此圖像的信噪比差(估計(jì)僅有20～50),分辨率約5～7nm。最后簡單討論一下上面提到的空間電荷效應(yīng)。帶電粒子束的空間電荷效應(yīng)實(shí)際包括兩方面:一是空間電荷散焦(GlobalSpaceChargeEffect),這種效應(yīng)不嚴(yán)重,因?yàn)榭赏ㄟ^調(diào)節(jié)聚焦系統(tǒng)加以補(bǔ)償;二是帶電粒子隨機(jī)庫侖相互作用,這種作用又可分為兩類:1.軌跡位移(TrajectoryDisplacement),它造成束的徑向擴(kuò)展;2.能量分散(Boersch效應(yīng)),它造成更大的色差。這種隨機(jī)庫侖相互作用是1.2離子光學(xué)柱體造成束流一束徑關(guān)系的根本限制。理論分析表明，以軌跡位移為例，空間電荷效應(yīng)依賴于線性粒子密度參數(shù)λ:λ∝(????)1/2????3/2(2.17)I是總束流，V是加速電壓，m/e是質(zhì)荷比。從上式可以看出，對離子束，λ比相同條件下的電子束要大2個(gè)多數(shù)量級?？臻g電荷限制了可用的液態(tài)金屬離子源的最大發(fā)射電流,造成了大的能量分散，產(chǎn)生了離子探針中束流密度分布J(r)的長的尾巴，降低了離子束的亮度，它的影響是深遠(yuǎn)的。1.3分析附件和探測器樣品室位于離子柱下方，包括樣品臺、探測器、氣體注入系統(tǒng)等。聚焦離子束樣品臺與掃描電鏡樣品臺結(jié)構(gòu)相同，一般有X、Y、Z和繞Z軸轉(zhuǎn)動以及繞X傾轉(zhuǎn)的五個(gè)方向運(yùn)動，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。用離子束照射樣品以觸發(fā)和測量響應(yīng)是一種非常常見的分析技術(shù)，執(zhí)行成像、局部輻照、刻蝕等的FIB儀器通常配備有各種附件，以提供一系列分析能力。出于成像目的，從樣品表面發(fā)射的二次電子（SE）通常使用Everhardt–Thornley探測器（ETD）進(jìn)行檢測。ETD是基于閃爍體的，將SE撞擊轉(zhuǎn)換為樣品室內(nèi)的光子，然后通過光導(dǎo)傳播到樣品室外的光電倍增管。作為互補(bǔ)成像通道，可以使用總離子計(jì)數(shù)器（TIC）檢測二次離子（SI）（通常在使用法拉第杯或通道管的正SI檢測模式下）。1.3分析附件和探測器FIB-SEM有多種不同的探測器，可同時(shí)采集各種信號。標(biāo)準(zhǔn)的腔室安裝探測器包ET探測器（主要接收SE2信號）和背散射電子（BSE）探測器。鏡筒內(nèi)或物鏡安裝的SE和BSE探測器也可用于收集軌跡與光軸接近平行的信號。鏡筒內(nèi)BSE探測器通常用于監(jiān)測FIB刻蝕過程。SEM的掃描透射模式鏡（STEM），在特征分辨率大于0.6nm時(shí)非常有用。與掃描電鏡互補(bǔ)的EDS和EBSD等各種分析工具也是擴(kuò)展表征能力的常見腔室安裝附件。除了這些成像模式之外，在FIB平臺上還實(shí)現(xiàn)了各種其他分析技術(shù)。二次離子質(zhì)譜（SIMS）能夠以高靈敏度（低至ppm水平）結(jié)合高動態(tài)范圍（即給定元素可以在幾個(gè)數(shù)量級的濃度范圍內(nèi)測量）以2D/3D圖像或深度剖面的形式繪制元素/化學(xué)成分。原則上，包括同位素在內(nèi)的所有元素都可以被測量。1.3分析附件和探測器然而，為了進(jìn)行真正的定量分析，需要參考樣品，因?yàn)殡婋x產(chǎn)率在很大程度上取決于樣品中的局部環(huán)境（稱為基質(zhì)效應(yīng)）。已經(jīng)探索了FIB二次離子質(zhì)譜（SIMS）系統(tǒng)的幾種實(shí)施方式。最近，已經(jīng)引入了各種基于正交和線性飛行時(shí)間（TOF）的質(zhì)譜儀。這里，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離是因?yàn)榫哂胁煌|(zhì)荷比的離子將達(dá)到不同的速度；測量它們的飛行時(shí)間允許推斷離子的質(zhì)量。TOF系統(tǒng)提供了并行檢測的優(yōu)勢，但由于需要初級或次級離子束（或兩者）的脈沖，因此產(chǎn)生了占空比。1.4其他附件氣體注入系統(tǒng)氣體注入系統(tǒng)（GIS）是FIB集成系統(tǒng)的一個(gè)有用附件，主要由注射和控制兩部分組成，一般在樣品室上安裝3～5個(gè)注入噴嘴，控制裝置用于設(shè)定各種樣品材料所適宜的工作溫度并配以安全裝置確保在適宜的條件下開啟氣體注入閥門。GIS可提供多種前驅(qū)體化學(xué)物質(zhì)，前驅(qū)體通過細(xì)注射針進(jìn)入腔室，靠近樣品表面，與離子或電子束相互作用。離子與前驅(qū)體的相互作用會在離子束掃描區(qū)域內(nèi)引起沉積或刻蝕。常見的前驅(qū)體化學(xué)成分包括用于導(dǎo)電材料沉積的鉑、鎢、鉬、鈷和碳，以及用于絕緣體沉積的硅氧烷或硅酸鹽。常見的刻蝕劑氣體包括二氟化氙、氯、碘、溴和水。1.4其他附件原位操縱器InsitumanipulatorFIB-SEM的一個(gè)常見用途是制作TEM薄片。為了提取薄片（lamellas），通常使用安裝在腔室中的納米操縱器進(jìn)行原位抬出。1.4其他附件電子中和槍在處理絕緣體時(shí)，離子誘導(dǎo)的電荷會導(dǎo)致圖像失真等偽影，也會引起離子束加工漂移。緩解方案包括在樣品上涂一層薄薄的導(dǎo)電層，或利用電子槍中和離子束引起的正電荷進(jìn)行中和。這些方法可以對二氧化硅和藍(lán)寶石等高絕緣材料進(jìn)行刻蝕。02等離子清洗（PlasmaCleaner）2等離子清洗（PlasmaCleaner）高真空的聚焦離子束系統(tǒng)，由于樣品、操作、油污、FIB的氣體注入系統(tǒng)帶來的碳?xì)湮廴疚飼鄯e在樣品室表面，以及探測器包括EDS窗口，進(jìn)而影響系統(tǒng)分辨率、清晰度、真空度以及穩(wěn)定性。等離子清洗附件通過射頻電源在給定的壓力情況下起輝產(chǎn)生高能量的無序的等離子體，通過等離子體轟擊被清洗產(chǎn)品表面，實(shí)現(xiàn)清潔目的。謝謝2.2離子束與固體的相互作用2離子束與固體的相互作用01Ga+離子的選擇02目錄012離子束與固體的相互作用2.1離子束與固體的相互作用離子-固體相互作用在許多不同的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，從微電子器件的制造到理解宇宙氣體的分布。本節(jié)簡介僅限于材料科學(xué)中使用FIB系統(tǒng)的相關(guān)過程和條件。當(dāng)離子撞擊固體時(shí)，它會通過與樣品原子的相互作用而失去動能。這種從離子到固體的能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了許多不同的過程（見圖4），包括：離子散射和背散射、電子發(fā)射、電磁輻射、原子濺射與離子發(fā)射、樣品損傷和樣品加熱等。離子最終會停留在固體中，導(dǎo)致離子的注入。除了電磁輻射產(chǎn)生之外，所有這些過程對FIB和FIB–SEM系統(tǒng)的應(yīng)用都很重要。2.1離子束與固體的相互作用圖2-4由入射到晶格上的30keVGa+離子產(chǎn)生的級聯(lián)碰撞的示意圖，顯示了在級聯(lián)碰撞體積中產(chǎn)生的損傷，以及注入離子的投影范圍Rp和橫向范圍Rl。2.1離子束與固體的相互作用級聯(lián)碰撞離子動能和動量通過非彈性碰撞和彈性碰撞傳遞到固體。在非彈性相互作用（稱為電子能量損失）中，離子能量損失給樣品中的電子，導(dǎo)致電離和電子發(fā)射以及樣品的電磁輻射。在彈性相互作用（稱為核能損失）中，離子能量作為平移能轉(zhuǎn)移到篩選的目標(biāo)原子，并可能導(dǎo)致?lián)p傷（樣品原子從其初始位置位移）和樣品表面濺射。離子-固體相互作用最廣泛接受的概念是級聯(lián)碰撞模型（圖4）。對于5–30keVGa撞擊大多數(shù)固體的情況，級聯(lián)碰撞涉及一系列獨(dú)立的二元碰撞（線性碰撞級聯(lián)機(jī)制）。如果在碰撞過程中傳遞到目標(biāo)原子的能量超過位移能的臨界值，原子將被從其原始位置敲除，例如，在晶體樣品中產(chǎn)生間隙-空位對。這個(gè)初級反沖原子可能具有足夠的能量來位移更多的樣品原子（次級反沖），從而在某個(gè)體積內(nèi)產(chǎn)生大量具有多余動能的原子。如果位移碰撞發(fā)生在表面附近，反沖原子可能會從固體中發(fā)射出來并導(dǎo)致濺射。因?yàn)槲灰颇埽ㄍǔ＜s為20eV）遠(yuǎn)大于原子的結(jié)合能（約為1eV），所以碰撞是非絕熱的，因?yàn)榕鲎矔r(shí)間尺度很短。2.1離子束與固體的相互作用級聯(lián)碰撞大約10–11秒后，5–30keV的Ga離子靜止在固體中，所有參與級聯(lián)的粒子的能量都降低到位移能以下。此時(shí)，級聯(lián)碰撞結(jié)束。但還會發(fā)生粒子和輻射的發(fā)射，以及離子束損傷，如晶格缺陷、摻入的Ga和熱量，所有這些都可能繼續(xù)相互作用和演化。分子動力學(xué)計(jì)算非常適合模擬級聯(lián)碰撞，因?yàn)槠渑鲎查L度和時(shí)間尺度都很短。蒙特卡羅計(jì)算也非常適合模擬離子-固體相互作用，包括入射離子受到樣品電子“摩擦”阻擊，和入射離子與樣品原子的隨機(jī)彈性碰撞。最廣泛使用的蒙特卡羅模擬是程序TRIM或SRIM（離子在物質(zhì)中的傳輸或停止范圍）。模擬30keV的Ga輻照各種元素（從Li到Bi）的計(jì)算結(jié)果表明：核能損失的離子能量大約是電離能量損失的兩倍（前者來自與原子核的相互作用，后者來自與電子的相互作用）。而且在核能損失中，大部分損失的能量是通過樣品原子的振動或加熱而不是通過空位的形成而損失的。2.1離子束與固體的相互作用級聯(lián)碰撞30keVGa在樣品中的投影和橫向范圍與樣品密度相反，并且在10nm和100nm之間（投影）以及在5nm和50nm之間（橫向）。當(dāng)30keVGa垂直入射樣品表面時(shí)，TRIM模擬表明：濺射產(chǎn)率（每個(gè)入射離子所產(chǎn)生的濺射靶原子）在1和20之間，并且隨著樣品的原子序數(shù)增加而有所增加。然而，濺射產(chǎn)率的預(yù)測值主要取決于表面結(jié)合能，但表面結(jié)合能并不為人所知，且對表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)敏感。TRIM也預(yù)測：每個(gè)入射離子會造成300到1000個(gè)之間的空位。但這個(gè)預(yù)測值被高估了，因?yàn)樗雎粤巳毕輸U(kuò)散和相互作用。同樣也可以預(yù)料在晶體中的級聯(lián)碰撞形狀方面，實(shí)驗(yàn)和模擬范圍之間存在差異，因?yàn)門RIM針對的樣品是各向同性的，不能處理好晶體的溝道效應(yīng)。盡管存在這些限制，但這種計(jì)算在預(yù)測趨勢和估計(jì)離子-固體相互作用的影響方面是非常寶貴的。2.2與電子束-樣品相互作用的區(qū)別FIB和SEM之間最根本的區(qū)別是離子的使用，入射離子束與樣品之間的相互作用不同于入射電子束與樣品之間的相互作用，最重要的特征和后果是：(1)離子比電子大因?yàn)殡x子比電子大得多，所以它們不容易穿透樣品的單個(gè)原子。相互作用主要體現(xiàn)在與樣品原子外殼相互作用，使樣品原子電離和基底原子化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致二次電子產(chǎn)生和樣品的化學(xué)狀態(tài)變化。類似地，進(jìn)入的離子無法到達(dá)樣品的內(nèi)殼層，因此不會發(fā)生內(nèi)殼層電子激發(fā)。因此，與可以容易地穿透目標(biāo)原子的電子云中的小電子相比，當(dāng)用離子束（比如Ga）照射樣品時(shí)沒有X射線發(fā)射。大的離子尺寸也表明，與樣品中的原子相互作用的概率要高得多，因此離子會迅速失去能量。所以離子的穿透深度遠(yuǎn)低于相同能量的電子的穿透深度。2.2與電子束-樣品相互作用的區(qū)別當(dāng)離子在材料內(nèi)停止時(shí)，它會被材料的基質(zhì)捕獲。與可以在材料的導(dǎo)帶中消失的電子相反，離子被捕獲在樣品的原子之間，總之對于給定的能量和材料來講，樣品中大致沿著入射離子束的穿透深度上摻雜有Ga離子。(2)離子比電子重因?yàn)殡x子比電子重得多，所以離子可以獲得高動量。對于相同的能量，離子的動量比電子大約大370倍。在電子與原子碰撞的情況下，它可以穿透電子云并到達(dá)原子核。由于強(qiáng)大的庫侖力，電子將被排斥，其速度將逆轉(zhuǎn)，結(jié)果是產(chǎn)生高能背散射電子。由于電子質(zhì)量與樣品原子的質(zhì)量相比較低，樣品原子幾乎不會移動（就像乒乓球打足球一樣）。當(dāng)離子撞擊原子時(shí)，其質(zhì)量與樣品原子的質(zhì)量相當(dāng)，因此它將傳遞大量動量，即樣品原子開始以足夠高的速度和能量移動，將其從基體中移除（就像足球撞擊另一個(gè)足球）。2.2與電子束-樣品相互作用的區(qū)別原子從其基體中去除被稱為濺射或刻蝕。這個(gè)基本過程適用于元素周期表中的所有元素。刻蝕效率通常是幾個(gè)μm3/nC，并且對于一些材料更高而對于其他材料更低。實(shí)際速率將取決于目標(biāo)原子的質(zhì)量、其與基質(zhì)的結(jié)合能以及基質(zhì)相對于離子束入射方向。對于相同的能量，離子的移動速度比電子慢得多。使得在利用離子束激發(fā)的信號成像時(shí)，信號采集速度不能過快。同樣的問題也出現(xiàn)在離子束快速加工上，當(dāng)離子束快速移動時(shí)，會有遲滯現(xiàn)象，目前這種影響在儀器中得到了補(bǔ)充。在SEM中，都使用磁性透鏡來聚焦電子束。由于離子要重得多，因此移動速度較慢，因此相應(yīng)的洛倫茲力較低。因此，磁透鏡對離子的作用不如對具有相同能量的電子的作用。因此，聚焦離子束系統(tǒng)配備了靜電透鏡，而不是磁透鏡。2.2與電子束-樣品相互作用的區(qū)別(3)離子帶正電，電子帶負(fù)電這種差異通?？梢院雎?，可通過改變場的極性來控制束和加速離子。帶電粒子的正負(fù)性僅在討論絕緣體樣品上的帶電現(xiàn)象時(shí)才相關(guān)，但要理解它，必須考慮樣品產(chǎn)生的所有帶電粒子。我們知道：絕緣體樣品受電子束輻照后，表面所產(chǎn)生的電場既有可能為正，也有可能為負(fù)，取決于出入樣品的電子數(shù)量對比。但樣品在受到離子照射時(shí)以下粒子會離開樣品：中性原子、正負(fù)離子和電子。平均而言，由于入射為正離子，且出射的粒子中二次電子數(shù)量較多，因此玻璃等完全絕緣的樣品將帶正電荷。這種電荷積累可以通過低能電子槍附件來中和，該電子槍將電子噴射到表面上。2.2與電子束-樣品相互作用的區(qū)別總之，離子是正的、大的、重的和慢的，而電子是負(fù)的、小的、輕的和快的。上面列出的特性中，最重要的結(jié)果是離子束能從襯底上去除原子，并且由于離子束的位置、停留時(shí)間和尺寸都能被計(jì)算機(jī)很好地控制，因此可以高度可控的方式局部去除材料，達(dá)到納米級加工精度。下表給出了FIB和SEM之間更詳細(xì)的比較。比較包括單個(gè)粒子類型、粒子束屬性和產(chǎn)生的信號。其中一些數(shù)字是平均值，僅作為了解相關(guān)量表的指南。這是因?yàn)閷?shí)際值取決于所涉及的材料。從表中的值可以理解聚焦離子束與樣品原子的基本相互作用，以及這種技術(shù)可以提供的基本能力。表1FIB和SEM與樣品相互作用比較02Ga+離子的選擇Ga+離子的選擇在FIB中使用Ga+作為離子源有很多原因：元素Ga是金屬，并且熔點(diǎn)低，因此很容易構(gòu)造一個(gè)帶小型加熱器的緊湊型離子槍。Ga可以包含在非常小的體積中，因此該槍具有很長的使用壽命。在工作過程中，Ga處于液相，因此該源被稱為液態(tài)金屬離子源（LMIS）。Ga具有良好的流動性，在強(qiáng)的外部電場作用下形成銳利的尖端，導(dǎo)致電離和場發(fā)射，獲得了高亮度，這一結(jié)果對于聚焦離子束是至關(guān)重要的。盡管理論上也可以使用諸如Ar（氣體）的其他材料，但是這種槍的亮度將低得多，并且相同尺寸的Ar聚焦束斑下束流將不是很強(qiáng)。元素Ga在元素周期表的中心（元素編號31），并且其動量傳遞能力對于各種材料來講綜合效果是最優(yōu)的。較輕的元素如Li在加工較重的元素時(shí)效率是不夠的。Ga+離子的選擇選擇Ga的好處是，樣品被Ga輻照/摻雜后將始終存在于樣品中。穿透的深度很淺，通過X射線分析可以很容易地追溯到該元素，因?yàn)樗腒線與其他元素很好地分離，并且?guī)缀醪慌c其他L線重疊。換句話說：元素Ga的分析干擾非常低。謝謝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30keVGa+碰撞級聯(lián)和ISE圖像對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ξ村兡さ慕^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，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)域會在離子像上顏色較暗，而接地導(dǎo)體會亮些，這樣就增加了離子成像的襯度。對于同種材料，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。不同材料對離子束成像的貢獻(xiàn)差別也會很大。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)，其動量會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納米級材料如氧化鋅納米帶進(jìn)行加工；還可以對微米量級尺寸的材料進(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。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)后多余的束流就會對已沉積好的區(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)離子注入,不僅大大節(jié)省成本,還可節(jié)約加工時(shí)間。離子注入在材料改性方面也有重要應(yīng)用。通常離子注入對材料的缺陷分析有影響,但是離子注入可以在熱力學(xué)退火的條件下形成納米團(tuán)簇。為了研究納米團(tuán)簇的性質(zhì),發(fā)展了蒙特卡羅方法來對注入離子的模擬散射、分子動力學(xué)和沉積特性進(jìn)行分析。離子注入在精確控制方面有優(yōu)勢,其不足之處就是處理速度較低。謝謝2.4應(yīng)用實(shí)例4應(yīng)用實(shí)例自20世紀(jì)80年代以來，液態(tài)金屬離子源已被廣泛用于掩膜修復(fù)、微電子故障分析和電路編輯。聚焦鎵離子束（FIB）是商用顯微鏡中最常用的液態(tài)金屬離子源。其離子能量、束斑尺寸和電流大小的可調(diào)節(jié)性使其非常適合于從樣品特定位置進(jìn)行各種微納米級加工與表征工作。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備聚焦離子束技術(shù)自上世紀(jì)七十年代被證明應(yīng)用的可行性以來，最初廣泛應(yīng)用于在半導(dǎo)體行業(yè)中：例如材料的刻蝕、材料的沉積、掩模修補(bǔ)和集成電路的修改；利用注入效應(yīng)直接對晶片進(jìn)行無掩模注入；利用在線觀察下納米加工進(jìn)行高密度集成電路的設(shè)計(jì)和缺陷分析。近年來隨著材料科學(xué)和先進(jìn)原位表征學(xué)的發(fā)展，F(xiàn)IB開始在材料研究和原位表征中被積極應(yīng)用：例如與掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)及電子背散射衍射譜(EBSD)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)材料形貌、元素、及晶體結(jié)構(gòu)的納米級三維原位表征；與透射電子顯微鏡(TEM)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)的納米/原子級原位表征；與三維原子探針(APT)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)對材料的三維結(jié)構(gòu)及成分納米/原子級原位表征。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備通過使用原位表征技術(shù)，可以對材料的結(jié)構(gòu)、組成、形貌等進(jìn)行精確的表征和分析，為材料的設(shè)計(jì)和制造提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。聚焦離子束系統(tǒng)集材料原位顯微形貌表征和納米加工于一體，成為納米科技者開展創(chuàng)新性科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。本節(jié)主要介紹聚焦離子束技術(shù)在制備TEM原位表征樣品過程中的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，包括：誘導(dǎo)沉積、濺射刻蝕、定位轉(zhuǎn)移、雙面減薄及非晶清洗等。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述TEM可以觀察和探索原位表征材料納米尺度結(jié)構(gòu)和亞納米空間分辨率的元素組成。傳統(tǒng)的TEM制樣方法包括斷口材料的復(fù)型法、層狀材料的解理法、塊狀材料的離子減薄法和電解雙噴法等，前兩種方法現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，后兩種方法現(xiàn)在還在普遍使用中，其設(shè)備如圖2-8所示。以上所有傳統(tǒng)方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是效率較低且不能精確定位制樣區(qū)域不適于帶有特殊結(jié)構(gòu)的材料。隨著材料研究的深入，在材料特定感興趣區(qū)域進(jìn)行微結(jié)構(gòu)原位表征的需求越來越強(qiáng)烈，F(xiàn)IB的出現(xiàn)為解決這一難題帶來了希望。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述圖2-8傳統(tǒng)透射電鏡制樣設(shè)備(a)離子減薄儀；(b)電解雙噴儀1988年，劍橋大學(xué)Kirk等人使用光學(xué)顯微鏡及SEM在晶圓片或芯片上選擇感興趣的區(qū)域，使用金剛石鋸片切片法獲取樣品并置于3mm的TEM環(huán)裝樣品托上，然后利用FIB進(jìn)行孔狀加工獲得了TEM樣品，綜合定位精度可達(dá)到1μm。1991年，Basile等人使用金剛石砂紙將塊體樣品減薄至約10μm厚，再使用FIB進(jìn)行最終減薄，也成功制備了合適的TEM樣品。1997年，Anderson等人使用三腳拋光器對樣品進(jìn)行預(yù)減薄至上端3~5μm、下端數(shù)十微米的楔形薄片，再使用FIB進(jìn)行最終減薄獲得了TEM樣品。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述1993年Overwijk和GiannuzziLA等人首次使用吸附轉(zhuǎn)移Lift-out方法提取了特定感興趣區(qū)域的樣品，他們首先使用SEM定位感興趣區(qū)域，再由FIB直接在樣品上將特征區(qū)域減薄至薄片并與基體分離，如圖2-9(a)。然后利用毛細(xì)玻璃超細(xì)尖端的靜電吸附作用將已經(jīng)和樣品基體分離的薄片提取出如圖2-9(b)，接著轉(zhuǎn)移樣品薄片到TEM專用的網(wǎng)狀覆膜銅柵上，利用薄膜靜電吸附作用更強(qiáng)的特點(diǎn)將樣品留在銅柵上，如圖2-9(c)所示。該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了高精度定位特定感興趣區(qū)域樣品制備，但微操作轉(zhuǎn)移過程中樣品薄片很容易被碰飛，成功率不高。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述圖2-9吸附轉(zhuǎn)移lift-out提取法制備垂直于樣品表面的TEM樣品示意圖(a)FIB減薄至薄片；(b)lift-out提取；(c)樣品薄片置于TEM銅柵4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述隨著納米操控手技術(shù)和FIB-SEM的發(fā)展。2004年LangfordRM等人首次使用納米操控手實(shí)現(xiàn)了原位提?。↖n-situlift-out）截面樣品的方法，并在2008年進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，其制備方法如圖2-10所示：首先使用SEM定位感興趣區(qū)域，由FIB直接在樣品上將特征區(qū)域減薄并與基體基本分離，如圖2-10(a)所示。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述然后將納米操控手與樣品焊接，分離樣品薄片與基體后，利用納米操控手將樣品薄片提取出如圖2-10(b)；接著繼續(xù)使用納米操控手轉(zhuǎn)移樣品薄片到TEM專用的FIB半載網(wǎng)銅柵上，將樣品焊接在銅柵上，如圖2-10(c)所示；最后分離納米操控手后，使用FIB繼續(xù)對樣品薄片進(jìn)行終減薄至TEM要求。該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了高精度定位特定感興趣區(qū)域樣品完善的制備方法。圖2-10In-situlift-out提取法制備垂直于樣品表面TEM樣品隨后In-situlift-out法蓬勃發(fā)展，TomusD和JublotM等許多科研工作者人在此基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，2013年王雪麗等人借助輔助銅網(wǎng)以創(chuàng)新的In-situlift-out法，成功制備了帶裂紋的平面樣品如圖2-11所示，平面樣品制備法也開始被越來越多的科研工作者采用。4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述圖2-11In-situlift-out提取法制備平行于樣品表面TEM樣品4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述目前In-situlift-out制樣法已成為FIB-SEM雙束技術(shù)制備TEM原位表征樣品的主流技術(shù)并被簡稱為lift-out法。經(jīng)典技術(shù)路線可分為沉積、粗切、細(xì)切、U切、提取、焊接、終減薄和清洗8個(gè)具體步驟，如圖2-12所示。涉及誘導(dǎo)沉積、濺射刻蝕（粗切、細(xì)切、U切）、定位轉(zhuǎn)移（提取、焊接）、雙面減薄及非晶清洗五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。圖2-12基于FIB制備TEM原位表征樣品加工流程示意圖4.1透射電鏡(TEM)樣品制備應(yīng)用概述(a)沉積；(b)粗切；(c)細(xì)切；(d)U切；(e)提?。?f)焊接；(g)終減??；(h)清洗4.1透射電鏡(TEM)樣品制備誘導(dǎo)沉積誘導(dǎo)沉積的基本原理是被沉積的有機(jī)氣體發(fā)生電離，電離的被沉積離子在電子束/離子束的轟擊下沉積于材料表面或材料內(nèi)部，如圖2-13所示。在TEM制樣中，沉積分為電子束沉積和離子束沉積兩個(gè)階段，前者在SEM功能下進(jìn)行，后則在FIB功能下進(jìn)行。圖2-13離子誘導(dǎo)沉積原理示意圖[128]電子束誘導(dǎo)沉積采用聚焦?fàn)顟B(tài)的電子束轟擊樣品表面，誘導(dǎo)沉積物前驅(qū)氣體在樣品表面分解沉積形成固態(tài)結(jié)構(gòu)的過程，稱為電子束沉積。加速電壓（單位一般為kV）是SEM的重要工作參數(shù)之一，直接決定了電子束的動能大小。加速電壓越高，電子束獲得動能越大，電子的速度越快。如果靜電場的加速電壓為5kV，那被加速后電子束獲得的能量為5keV。電壓越高電子束穿透樣品的深度越大，為減小樣品損傷，加速電壓一般選用5kV，在電子沉積階段仍然可選用此電壓。由于入射電子束對目標(biāo)材料的最大穿透深度與電子束的能量和目標(biāo)材料的特性相關(guān)，且因?yàn)殡娮淤|(zhì)量遠(yuǎn)低于原子質(zhì)量，根據(jù)能量守恒，電子束與樣品原子相互作用幾乎無法使樣品原子排列發(fā)生改變生成非晶或者使原子逸出材料表面產(chǎn)生刻蝕，同理電子束在轟擊被注入樣品中的離子時(shí)傳遞的能量也較低，因此電子束對材料表面的非晶相變和離子注入等行為影響較小。電子束誘導(dǎo)沉積一般而言，電子束沉積氣體包括但不限于C、SiO2、W、Pt，圖2-14展示了一個(gè)多氣路的氣體注入系統(tǒng)。這些氣體對材料表面的離子注入和非晶相變依次增加，與此同時(shí)對材料抗Ga、Xe等納米加工離子束轟擊的保護(hù)能力也依次增加。鑒于Pt的抗離子束轟擊能力較強(qiáng)，大部分材料的電子束誘導(dǎo)沉積保護(hù)均選擇Pt，但Al/Ni多層膜、高分子薄膜等表面較為敏感脆弱的材料，選擇Pt作為沉積氣體時(shí)易發(fā)生Pt離子注入，沉積氣體可選擇SiO2。電子束誘導(dǎo)沉積為使電子束沉積效率高，可選用比大束流（如240pA以上）進(jìn)行沉積。圖2-14多氣路氣體注入系統(tǒng)離子束誘導(dǎo)沉積采用聚焦的離子束轟擊樣品表面，誘導(dǎo)沉積物前驅(qū)氣體在樣品表面分解沉積形成固態(tài)結(jié)構(gòu)的過程，稱為離子束誘導(dǎo)沉積。而離子束誘導(dǎo)沉積層在納米加工中承擔(dān)保護(hù)材料表面，抗擊散射離子轟擊的任務(wù)，由于有電子束沉積層對材料表面的初步隔絕和保護(hù)，離子束沉積元素的選擇應(yīng)以抵抗Ga離子束轟擊能力為首要要素，所以重元素Pt和W可成為首選。其中Pt對材料表面的親和力和附著力較強(qiáng)不易剝離斷裂，因此多選擇Pt為離子沉積元素。電子束誘導(dǎo)沉積離子束沉積階段也有離子束刻蝕作用，當(dāng)沉積效率大于刻蝕效率時(shí)實(shí)現(xiàn)沉積，反之則造成刻蝕，因此束流參數(shù)的選擇也至關(guān)重要。束流的選擇和環(huán)境真空及被加工材料特性等諸多因素相關(guān)，但直接相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)為沉積面積S，離子沉積束流I（pA）選擇優(yōu)化與沉積面積S（μm2）相關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式如下：C：I≦(50~100)×S(2.18)W：I≦50×S(2.19)Pt：I≦6×S(2.20)下面以粗糙材料表面為例，設(shè)定Pt沉積時(shí)間為2分鐘，沉積面積為40μm2探索離子束在30kV電壓下的最佳納米加工沉積束流。設(shè)定納米加工沉積束流分別為50pA、240pA和1nA，沉積后掃描電子顯微鏡二次電子形貌原位表征結(jié)果如圖2-15所示。電子束誘導(dǎo)沉積如圖所示，當(dāng)沉積束流為1nA時(shí)，束流遠(yuǎn)大于沉積面積的6倍束流值（240pA），此時(shí)束流刻蝕效率大于氣體沉積效率，樣品表面發(fā)生刻蝕現(xiàn)象。當(dāng)沉積束流為50pA時(shí)，束流遠(yuǎn)小于沉積面積的6倍束流值（240pA），此時(shí)束流刻蝕效率小于氣體沉積效率，樣品表面發(fā)生沉積現(xiàn)象，但因?yàn)槭鬟^小沉積效率較低，僅沉積了百納米級厚度Pt；當(dāng)沉積束流為240pA時(shí)，束流恰好等于沉積面積的6倍束流值（240pA），電子束誘導(dǎo)沉積logo此時(shí)束流刻蝕效率小于氣體沉積效率，樣品表面發(fā)生沉積現(xiàn)象，且因?yàn)槭鬏^大沉積效率較高，Pt沉積厚度為1μm，沉積效果較好，因此選用240pA為離子沉積束流，此研究結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式2.20一致。圖2-15Pt沉積離子束流與沉積厚度原位表征電子束誘導(dǎo)沉積圖2-16示出了兩相界面和滑移帶兩種典型感興趣區(qū)域，原位表征最佳沉積效果二次電子形貌圖。01圖2-16最佳沉積條件下不同材料的Pt沉積效果原位表征02(a)感興趣區(qū)域：兩相界面；(b)感興趣區(qū)域：滑移帶034.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕采用高能離子束轟擊樣品表面，將樣品的原子濺射出表面，形成固態(tài)結(jié)構(gòu)的過程，稱為離子束濺射刻蝕。離子束濺射刻蝕原理在FIB-SEM雙束技術(shù)制備TEM原位表征樣品的lift-out法中，誘導(dǎo)沉積階段結(jié)束后即進(jìn)入濺射刻蝕階段，可具體分為粗切、細(xì)切、U切3個(gè)步驟。圖2-17、圖2-18圖2-19分別示出了TEM原位表征樣品制備中粗切、細(xì)切和U切這三個(gè)濺射刻蝕階段的材料形貌。粗切4.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕粗切的目的是初步獲取原位表征區(qū)域樣品薄片。在樣品沉積保護(hù)區(qū)上下使用較大束流各加工一個(gè)梯形或矩形槽，如圖2-17所示。梯形或矩形槽加工框的長度一般基于沉積保護(hù)區(qū)長度增加0~4μm，通常加工框向保護(hù)區(qū)兩側(cè)各延伸1~2μm，深度多為3~10μm，寬度多為深度的2倍。粗切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為10~100nA，加工角度一般為垂直傾角±1~3，離子束加工模式為切割模式。圖2-17TEM原位表征樣品粗切階段顯微形貌4.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕細(xì)切細(xì)切的目的是進(jìn)一步減薄未來將要提取的樣品薄片，并消除粗切階段大束流減薄帶來的窗簾效應(yīng)（curtain），如圖2-18所示。此階段樣品依舊基本垂直于加工離子束，此階段結(jié)束后樣品薄片厚度為500nm~2μm，微納加工過程如下：在離子束模式下，在樣品沉積保護(hù)區(qū)上下兩側(cè)用較小束流往復(fù)減薄，加工框一般為矩形槽，加工框的長度一般基于沉積保護(hù)區(qū)長度增加0~2μm，深度多為3~10μm，寬度多為500nm~2μm。細(xì)切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為1~10nA，加工角度一般為垂直傾角±1~2，離子束加工模式為切割模式。4.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕圖2-18TEM原位表征樣品細(xì)切階段形貌U切U切環(huán)節(jié)目的是預(yù)分離基體和未來將要提取的樣品薄片。此階段樣品基本垂直于觀測電子束，與離子束呈一定夾角，此階段結(jié)束后樣品薄片和基體僅有小體積連接，如圖2-19所示，微納加工過程如下：將樣品臺傾轉(zhuǎn)至0~4.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕10，在離子束模式下，使用較小束流在樣品薄片側(cè)面由左至右依次完成加工非對稱U形加工框，右側(cè)U形邊略短，加工結(jié)束后離子束穿透樣品側(cè)面，樣品薄片和基體僅有小體積連接。U切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為1~10nA，加工時(shí)樣品臺傾角一般為0~10，離子束加工模式為轟擊模式。4.2濺射刻蝕離子束濺射刻蝕圖2-19TEM原位表征樣品U切階段形貌FIB制備TEM原位表征樣品U切第一步；(b)FIB制備TEM原位表征樣品U切第二步；(c)FIB制備TEM原位表征樣品U切第三步4.3定位轉(zhuǎn)移在FIB-SEM雙束技術(shù)制備TEM原位表征樣品的lift-out法中，濺射刻蝕階段結(jié)束后即進(jìn)入定位轉(zhuǎn)移階段，定位轉(zhuǎn)移是將原位表征樣品從基體轉(zhuǎn)移至TEM專用載網(wǎng)（holder）上，由納米操控手和氣體注入系統(tǒng)共同輔助完成，可分為兩個(gè)步驟——提?。╨ift-out）和焊接（weld）。定位轉(zhuǎn)移是TEM原位表征樣品制備過程的關(guān)鍵步驟也是最復(fù)雜困難的步驟。TEM原位表征樣品FIB納米加工失敗往往就發(fā)生在提取和焊接過程中，這是因?yàn)椋汉附訕悠繁∑杂啥伺c納米操控手后，切斷樣品薄片和基體的最后連接時(shí)，易發(fā)生因應(yīng)力釋放、樣品振動而發(fā)生的焊接斷裂脫落；而納米操控手操控樣品至TEM專用holder進(jìn)行焊接時(shí)，易因誤判幾何位置關(guān)系而發(fā)生碰撞使得樣品脫落或樣品薄片焊接不牢造成樣品脫落。提取4.3定位轉(zhuǎn)移提取是將樣品薄片從基體轉(zhuǎn)移到納米操控手上，如圖2-20（a）所示。焊接焊接則是將納米操控手上的樣品薄片焊接到TEM專用載網(wǎng)上，如圖2-20（b）所示。圖2-20定位轉(zhuǎn)移階段形貌表征4.3定位轉(zhuǎn)移（a）提取階段（b）焊接階段雖然作為公認(rèn)的制備環(huán)節(jié)，焊接環(huán)節(jié)發(fā)生在提取環(huán)節(jié)之后，但TEM原位表征樣品FIB納米加工典型技術(shù)路線中的焊接行為，實(shí)為兩次，一次是樣品薄片和納米操控手W針尖的連接，一次是薄片樣品和TEM專用載網(wǎng)的連接。經(jīng)典的焊接行為是離子束下Pt沉積焊接，由于在焊接前納米操控手碰觸樣品薄片時(shí)有壓應(yīng)力，當(dāng)切斷樣品薄片和基體的最后連接時(shí)，樣品發(fā)生輕微抖動，而導(dǎo)致焊接處斷裂脫落。因此出現(xiàn)了再沉積焊接的創(chuàng)新方式。4.3定位轉(zhuǎn)移再沉積焊接利用輔助氣體誘導(dǎo)沉積離子和材料被轟擊后的再沉積離子，共同混合沉積的方法，稱為再沉積焊接法。再沉積焊接原理離子束加工時(shí)的再沉積效應(yīng)和狹縫效應(yīng)，即高能離子束轟擊材料表面時(shí)，如果微納加工形成狹縫等微小尺度的空間結(jié)構(gòu)時(shí)，材料表面濺射出的離子不能及時(shí)逸出，可能與狹縫壁碰撞或被吸附在狹縫壁表面沉積于該狹小空間內(nèi)。再沉積焊接法的目的是形成更穩(wěn)固的焊接連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)移原位樣品。由于再沉積焊接基于狹縫效應(yīng)，所以出現(xiàn)狹縫結(jié)構(gòu)是再沉積焊接法的基礎(chǔ)。因此選用的技術(shù)路線如下：離子束加工采用線切削（linemilling）的工作模式，加工方向由低硬度材料切向高硬度材料或由薄尺寸材料切向厚尺寸材料，4.3定位轉(zhuǎn)移再沉積焊接并以高硬度材料或厚尺寸材料為主。即當(dāng)薄樣品與納米操控手W針尖連接時(shí)，由樣品切向W針尖；當(dāng)薄樣品與TEM專用holder連接時(shí)，由樣品切向holder，再沉積焊接形貌表征如圖2-20中紅框內(nèi)所示。4.4雙面減薄雙面減薄，也稱終減薄環(huán)節(jié)，本環(huán)節(jié)的目的是將樣品薄片減薄至透射電鏡表征需要的厚度，如圖2-21所示，此操作由離子束系統(tǒng)完成，此階段結(jié)束后樣品薄片厚度為20nm~150nm，微納加工過程如下：將樣品臺傾轉(zhuǎn)至與離子束垂直的角度；往復(fù)傾轉(zhuǎn)樣品臺至垂直角度±0.5~2，同時(shí)在離子束模式下，在樣品薄片上下兩側(cè)往復(fù)用較小束流往復(fù)減薄；加工框一般為矩形槽，加工框的長度一般與樣品薄片長度相同，4.4雙面減薄也可遞減；加工深度依據(jù)材料特征選擇，多為3~10μm，寬度多為200nm~1μm。終減薄時(shí)，離子束的加工電壓為5~30kV，束流為50pA~1nA，加工角度一般為垂直傾角±0.5~2，離子束加工模式為切割模式。圖2-21基于FIB制備TEM表征樣品的終減薄階段4.5非晶清洗非晶清洗的目的是盡量消除Ga離子等加工離子束造成的樣品薄片非晶損傷，此階段結(jié)束后樣品薄片厚度為20~150nm，微納加工過程如下：保持樣品臺與離子束基本垂直的角度；往復(fù)傾轉(zhuǎn)樣品臺至垂直角度±3~5，同時(shí)在離子束模式下，在樣品薄片上下兩側(cè)往復(fù)用低電壓較小束流往復(fù)轟擊非晶層；加工框一般為矩形槽，加工框的長度一般與樣品薄片長度相同；轟擊時(shí)間依據(jù)材料特征選擇，多為2~5min。清洗時(shí)，離子束的加工電壓為3~5kV，束流為50~600pA，加工角度一般為垂直傾角±3~8，離子束加工模式為轟擊模式。4.6三維原子探針(APT)制備三維原子探針(three-dimensionalatomprobe，3DAP）如圖2-22所示，又稱原子探針層析技術(shù)（atomprobetomography，APT)，是在原子尺度上對材料進(jìn)行三維原位表征和化學(xué)成分精確測量的分析技術(shù)，可分析的材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)包括：固溶體、短程有序、團(tuán)簇、納米析出相、位/層錯(cuò)和界面等。本節(jié)主要講述聚焦離子束技術(shù)在APT原位表征樣品制備過程的應(yīng)用概述、誘導(dǎo)沉積、濺射刻蝕、定位轉(zhuǎn)移、環(huán)形減薄及非晶清洗等關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。4.6三維原子探針(APT)制備圖2-22LEAP5000XR局部電極三維原子探針系統(tǒng)4.7應(yīng)用概述自從1969年P(guān)anitz等人發(fā)明原子探針后，科學(xué)家們一直對制備針狀樣品感興趣，這些樣品含有包括沉淀、晶界（GBs）、相結(jié)合、缺陷等感興趣的特征以供分析。多年來，科學(xué)工作者們使用傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光法制備APT針尖樣品但常常無法準(zhǔn)確獲得所需位置的結(jié)構(gòu)，聚焦離子束的發(fā)展改變了這一切。4.7應(yīng)用概述1984年BobWaugh[49,50]首次發(fā)表了使用FIB為原子探針層析成像（APT）制備樣本的文章，雖然沒有與這項(xiàng)研究相關(guān)的原子探針數(shù)據(jù)，但它是利用FIBs制作APT樣品的起源。1998年Larson使用環(huán)形減薄法成功制備了APT針尖樣品如圖2-23所示，加工時(shí)所選圖案的外徑略大于試樣的橫截面。在減薄過程中，內(nèi)徑和離子電流逐漸減小最終獲得所需的針狀試樣，由于離子束散射試樣的端部半徑為通常為60nm。環(huán)形減薄法不需要額外的程序來產(chǎn)生可接受的錐角，在整個(gè)環(huán)形切割過程中通常保持相同的外徑，因?yàn)檫@樣可以最大限度地減少由于少量試樣漂移而導(dǎo)致的圖案中心與針軸對齊的問題。圖2-23基于FIB環(huán)形減薄法制備APT樣品示意圖[51]4.7應(yīng)用概述2005年Miller在環(huán)形減薄法和透射電鏡lift-out法的基礎(chǔ)上，提出了提取法（lift-out）制備APT針尖樣品并在2007年對此法進(jìn)行了改進(jìn)，制備過程流程圖如圖2-24所示，制備過程圖如圖2-24所示。先在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察樣品，找到合適的制樣區(qū)域。此法的具體流程為：首先在感興趣區(qū)域沉積Pt保護(hù)層，然后將樣品減薄成楔形薄片并基本與基體分離，4.7應(yīng)用概述用Pt焊接納米操控手和楔形薄片樣品，切斷樣品與基體的連接，提取樣品焊在APT專用硅柱上，再在硅柱上進(jìn)行環(huán)形減薄。2007年后科學(xué)工作者們在lift-out法的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)技術(shù)細(xì)節(jié)，關(guān)鍵步驟的技術(shù)細(xì)節(jié)如圖2-25所示，將lift-out法應(yīng)用于各類材料，目前l(fā)ift-out法已成為FIB制備APT針尖的通用方法。圖2-24基于FIBlift-out法制備APT樣品示意圖該方法的APT原位表征樣品FIB納米加工的經(jīng)典技術(shù)路線與TEM原位表征樣品相似也可分為沉積、粗切、細(xì)切、U切、提取、焊接、終減薄和清洗8個(gè)具體步驟，如圖2-27所示；歸于誘導(dǎo)沉積、濺射刻蝕（粗切、細(xì)切、U切）、定位轉(zhuǎn)移（提取、焊接）、環(huán)形減薄及非晶清洗五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——將在后續(xù)小節(jié)中一一詳述。4.7應(yīng)用概述圖2-25基于FIBlift-out法制備APT樣品示意圖[54]4.7應(yīng)用概述(a)沉積；(b)粗/細(xì)切；(c)U切；(d)焊接；(e)提??；(f)降樣品臺圖2-26基于FIB制備APT樣品焊接技術(shù)細(xì)節(jié)a)Si柱holder；(b)樣品與硅柱焊接；(c)樣品與納米手分離；(d)焊接完成4.7應(yīng)用概述logo圖2-27鈷基高溫合金FIB制備APT樣品標(biāo)準(zhǔn)lift-out法制備過程(a)Pt沉積；(b)粗/細(xì)切；(c)U切；(d)提??；(e)焊接；(f)分離；(g)環(huán)形減薄開始；(h)環(huán)形減薄結(jié)束；(i)清洗4.8誘導(dǎo)沉積基于FIB的APT原位表征樣品制備與TEM樣品制備相似，第一環(huán)節(jié)也是誘導(dǎo)沉積，沉積的目的仍是保護(hù)樣品的感興趣區(qū)域，避免其在后續(xù)加工和減薄過程中被工作離子束破壞。4.8誘導(dǎo)沉積原位表征區(qū)域首先在FIB雙束系統(tǒng)中的SEM模式下尋找感興趣區(qū)域，例如雙相區(qū)（如圖3-15中鈷基高溫合金的γ/γ’兩相界面）、位錯(cuò)滑移帶、納米析出相、晶界、相界、裂紋尖端等。需注意的是由于晶界、相界等元素偏聚或空位富集等元素與結(jié)構(gòu)的不均勻區(qū)，在后期表征時(shí)易在表征初期發(fā)生應(yīng)力集中樣品損毀的現(xiàn)象，因此一般可考慮一次性制備3個(gè)APT樣品，這就需要合理調(diào)整感興趣區(qū)域的方向，使感興趣區(qū)域水平長度方向?yàn)樗鑵^(qū)域的3-5倍。電子束/離子束沉積電子束沉積，如圖1-25(a)所示，沉積元素包括但不限于C、SiO2、W、Pt。沉積應(yīng)盡量避免離子注入損傷、沉積元素和材料自身元素發(fā)生混淆且保護(hù)充分。沉積原則為低電壓大束流原則，多數(shù)材料的電子沉積建議參數(shù)為5kV，240pA~4nA。4.8誘導(dǎo)沉積原位表征區(qū)域離子沉積元素包括但不限于C、W、Pt，沉積應(yīng)盡量避免離子注入損傷、沉積元素和材料自身元素發(fā)生混淆且保護(hù)充分。離子沉積的電壓為30kV，離子束加工模式為轟擊模式，束流I（pA）依據(jù)沉積面積S（μm2）而選擇，其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式如前節(jié)所述。4.9濺射刻蝕離子束濺射刻蝕在FIB-SEM雙束技術(shù)制備APT原位表征樣品的lift-out法中，離子濺射刻蝕階段，同樣可分為粗切、細(xì)切、U切3個(gè)步驟。與TEM樣品制備不同的是粗切與細(xì)切階段樣品原位表征區(qū)域與離子束夾角不同：TEM樣品制備夾角85~95，APT樣品制備夾角30~50。粗切粗切的目的是初步減薄未來將要提取的樣品楔形薄片沉積環(huán)節(jié)結(jié)束后進(jìn)入粗切（coarsemilling）階段，如圖1-25(b)所示，樣品與加工離子束呈30~50夾角。微納加工過程如下：在樣品沉積保護(hù)區(qū)下側(cè)使用較大束流加工一個(gè)梯形或矩形槽，梯形或矩形槽加工框的長度一般基于沉積保護(hù)區(qū)長度增加0~4μm，通常加工框向保護(hù)區(qū)兩側(cè)各延伸1~2μm，深度多為3~10μm，寬度多為深度的2倍。4.9濺射刻蝕離子束濺射刻蝕旋轉(zhuǎn)樣品臺180，再次在樣品沉積保護(hù)區(qū)下側(cè)使用較大束流加工一個(gè)梯形或矩形槽，加工參數(shù)同上。為了后續(xù)進(jìn)針便捷切減小U切再沉積風(fēng)險(xiǎn)，可在樣品左側(cè)添加一個(gè)貫穿上下兩個(gè)矩形/梯形槽的矩形槽，左側(cè)槽寬度為1~2μm，深度為3~10μm。粗切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為10~100nA，加工時(shí)樣品臺為0~10，離子束加工模式為轟擊模式。細(xì)切細(xì)切的目的是進(jìn)一步減薄未來將要提取的樣品楔形薄片，并消除粗切階段大束流減薄帶來的窗簾效應(yīng)（curtain）。如圖1-25(b)所示，本環(huán)節(jié)的的此階段樣品依舊0~10，此階段結(jié)束后樣品楔形薄片上端厚度為500nm~4.9濺射刻蝕離子束濺射刻蝕2μm，微納加工過程如下：在離子束模式下，始終減薄樣品沉積保護(hù)區(qū)下側(cè)，并通過選裝樣品臺180的方式實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的往復(fù)減薄，減薄加工框一般為矩形槽，加工框的長度一般基于沉積保護(hù)區(qū)長度增加0~2μm，深度多為3~10μm，寬度多為500nm~2μm。細(xì)切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為1~10nA，加工角度一般為樣品臺為0~10±1~2，離子束加工模式為切割模式。細(xì)切后樣品楔形薄片已處于左側(cè)和下端樣品與基體分離的預(yù)分離狀態(tài)，可直接進(jìn)行提取，也可增加U切步驟。U切4.9濺射刻蝕離子束濺射刻蝕U切的目的是進(jìn)一步預(yù)分離基體和未來將要提取的樣品楔形薄片，如圖1-25(c)所示，本環(huán)節(jié)微納加工過程如下：在離子束模式下，使用較小束流在樣品楔形薄片右側(cè)面加工一個(gè)矩形槽，使得樣品與基體的分離呈現(xiàn)非對稱U形，其中右側(cè)U形邊略短，加工結(jié)束后樣品楔形薄片和基體僅右側(cè)有小體積連接。U切時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為1~10nA，加工時(shí)樣品臺傾角為0~10，離子束加工模式為轟擊模式。4.10定位轉(zhuǎn)移在FIB-SEM雙束技術(shù)制備APT原位表征樣品的lift-out法中，濺射刻蝕階段結(jié)束后即進(jìn)入定位轉(zhuǎn)移階段，定位轉(zhuǎn)移是將原位表征樣品從基體轉(zhuǎn)移至APT專用載臺（holder）Si柱上，由納米操控手和氣體注入系統(tǒng)共同輔助完成，可分為兩個(gè)步驟——提?。╨ift-out）和焊接（weld）。提取提?。╨ift-out）階段，如圖1-25（d）所示，目的是將原位表征樣品楔形薄片從基體轉(zhuǎn)移至納米操控手，此操作由納米操控手和氣體注入系統(tǒng)完成，微納加工過程如下：插入納米操控手和氣體注入系統(tǒng)，選擇合適的氣體將樣品薄片自由端與納米操控手焊接（為了焊接效果更好氣體通常選擇W和Pt），然后切斷樣品薄片和基體的最后連接，使用納米操控手提出樣品并至安全位置，保持氣體注入系統(tǒng)不動。提取時(shí)，離子束的加工電壓為30kV，束流為240pA~4nA，加工時(shí)不移動和傾轉(zhuǎn)樣品臺，樣品臺傾角和U切階段相同，離子束加工模式為轟擊模式。4.10定位轉(zhuǎn)移焊接焊接階段目的是使用Pt將原位表征樣品楔形薄片焊接在APT專用holder上。4.11環(huán)形減薄APT原位表征的最終樣品為納米圓錐，納米錐頂端直徑Φ頂為50~120nm，納米錐底端Φ底為200~300nm，納米錐高度為100nm~2μm。因此，APT原位表征樣品制備終減薄技術(shù)與TEM樣品制備雙向減薄技術(shù)不同——采取環(huán)形終減?。╝nnularthinning）法，如圖1-25（f）所示。微納加工過程如下：將樣品臺傾轉(zhuǎn)至與離子束垂直的角度；在離子束模式下，在樣品楔形薄片上由外及內(nèi)用較小束流以圓環(huán)加工方式減??；加工深度依據(jù)材料特征選擇，多為3~10μm，圓環(huán)內(nèi)外徑差為200nm~1μm。終減薄時(shí)，離子束的加工電壓為5~30kV，束流為50pA~1nA，加工角度一般為垂直傾角，離子束加工模式為切割模式。4.12非晶清洗清洗（cleaning）階段，目的是盡量消除Ga離子等加工離子束造成的非晶損傷。微納加工過程如下：保持樣品臺與離子束垂直的角度；在離子束模式下，在樣品薄片上下兩側(cè)往復(fù)用低電壓較小束流往復(fù)轟擊非晶層；加工框?yàn)榄h(huán)形槽，轟擊時(shí)間依據(jù)材料特征選擇，多為2~5min。清洗時(shí)，離子束的加工電壓為3~5kV，束流為50~600pA，離子束加工模式為轟擊模式。4.13橫截面分析針對特定部位的分析需要使用FIB銑削技術(shù)來精確曝光。在橫截面分析過程中，減少銑削時(shí)間的策略之一是通過增加FIB電流來提高濺射率。Ga+FIB能提供高達(dá)100nA的束流，而Xe等離子FIB能提供更大的電流（超過1μA）來去除材料。在這種高濺射速率下，需要以較低的電流進(jìn)行精細(xì)拋光，以去除遮擋ROI的再沉積材料。圖14顯示了微凸塊橫截面的GaFIB拋光圖像示例。SIMS和俄