蔡司双束电镜Crossbeam系列介绍

　　自20世纪以来，微纳米技术作为一个新兴的技术领域得到了迅速发展。当前，纳米技术已成为21世纪尖端科技的代表性领域之一。纳米技术上升为国家战略，对经济社会发展具有重要意义。纳米材料结构单元的大小与电子的相干长度和光的波长接近。它们具有表面和界面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应等特殊性质。它们在电学、磁学、光学、力学等方面具有许多新颖的特性。高性能设备应用的潜力巨大。开发具有新颖特性的纳米结构和器件需要发展高精度、多维、稳定的微纳加工技术。微纳加工技术的范围很广，常用的工艺有离子注入、光刻、刻蚀、薄膜淀积等。近年来，由于现代加工技术的小型化趋势，聚焦离子束技术越来越多地应用于不同领域的微纳结构制造，成为微纳加工技术中不可替代的重要组成部分。

　　FIB是在常规离子束和聚焦电子束系统研究的基础上发展起来的，从本质上是一样的，与电子束相比FIB是将离子源产生的离子束经过加速聚焦对样品表面进行扫描工作。由于离子的质量远大于电子的质量，即使是最轻的离子如H离子的质量也超过电子质量的1800倍。这使得离子束不仅可以像电子束那样实现成像曝光，而且离子的重质量也可以在固体表面上溅射原子，可以作为直写处理工具。FIB还可以与化学气体一起使用，以诱导原子沉积到样品材料的表面上。因此，FIB是一种非常通用的微纳加工工具。

　　1. 离子源

　　与电子束系统不同，在电子束系统中，加速电子由电子枪在电子光学系统中产生，FIB使用离子源。离子源是FIB系统的核心。质谱学和核物理学的研究推动了早期离子源的发展。20世纪60年代以后，半导体工业中的离子注入工艺进一步推动了离子源的发展。这些离子源的工作原理大致可分为三类：

　　1)电子轰击离子源。通过热阴极发射的电子在离子源室中被加速并与气体分子轰击以电离气体分子。这种类型的离子源多用于质谱分析仪器中。束流不高，能量色散小。

　　2)气体放电离子源，由气体等离子体放电产生离子，如辉光放电、弧光放电、火花放电离子源，这类离子源束流大，多应用于核物理研究中。

　　3)场致电离型离子源，利用针尖针尖电极附近强电场使吸附在针尖表面的气体原子电离，这类离子源主要用于场致离子显微镜

　　除了场致电离离子源外，所有这些离子源都在大空间(电离室)中产生离子，并通过小孔引导离子流。因此，离子电流密度低，离子源面积大，不适合聚焦成细束，不适合作为FIB的离子源。1970年代，克兰皮特等人在研究卫星助推器用铯离子源时，开发了液态金属离子源

　　LMIS研究的出现使FIB系统的实现和广泛应用成为可能。LMIS的离子发射是一个非常复杂的动态过程。由于LMIS发射表面是金属液体，发射液体尖端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不间断的补充材料，所以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。分析表明，LMIS稳定发射必须满足三个条件：

　　(1)发射表面具有一定的形状，从而形成一定的表面电场。

　　(2)表面电场足以维持一定的发射电流和一定的液态金属流速。

　　(3)表面流速足以维持与发射电流相对应的物质流动损失，从而保持一定的发射面形状。

　　从实用的角度来看，稳定发射的关键条件之一是保证液态金属和钨尖在制备过程中的良好熔渗。因为只有两者完全连续的附着才能保证液态金属的良好流动。一方面可以保证发射液尖的形成，另一方面可以保证液态金属的连续供应。

　　实验发现，LMIS还具有以下特点：

　　(1)存在临界发射阈值电压。一般在2 kV以上。在电压超过阈值后，发射电流迅速增加

　　(2)空间发射角大。离子束的自然发射角一般在30o左右。发射角随离子电流的增大而增大。大的发射角度会降低光束的利用率

　　(3)角电流密度分布较均匀。

　　(4)大的离子能量色散(色差)。离子能量色散一般在4.5 eV左右，能量色散随离子流的增加而增加。其原因是离子源发射端存在严重的空间电荷效应。因为离子质量远大于电子质量，所以在相同的加速电压下，离子速度远低于电子速度。离子源发射端的空间电荷密度很大。极高密度的离子相互排斥，导致高能量色散。降低色差最有效的方法之一是降低发射电流，但低于2uA后，色差很难再降低，基本保持在4.5 eV左右。进一步还原后，离子源变得不稳定，并表现出脉冲状发射。较大的能量色散增加了离子光学系统的色差，加剧了束斑色散。

　　(5)LM IS质谱分析表明，在低束流(≤10μA)下，单电荷离子占近100%。随着束流电流的增加，多电荷离子、分子离子、离子团簇和带电金属液滴的比例增加，这不利于聚焦离子束的应用。

　　上述特性表明，在实际应用中，LM IS不应在大光束条件下工作，最佳工作光束应小于10μA。此时离子能量色散和发散角小，束流利用率高。 LM IS是第一个使用液态金属镓作为发射材料，因为镓的熔化温度仅为29.8°C，操作温度低，且液态镓极难挥发，具有较重的原子核，对钨针有良好的附着力，以及良好的抗氧化性。经过近年来长期的发展，除镓、铝、砷、金、硼、铍、铋、铯、铜、锗、铁、铟、锂、铅、磷、钯、硅、锡、铀、锌均报道。其中，有的可直接制成单物质源。有些必须制成共晶合金，把一些难熔金属变成低熔点合金，通过EXB分离器可以分离不同元素的离子。合金离子源中的As、B、Be、Si元素可直接掺杂半导体材料。虽然现今离子源的种类较多，但镓的优良特性决定了它仍是最常用的离子源。一些高端型号甚至使用同位素级镓。

　　2. FIB系统结构

　　聚焦离子束曝光系统本质上与电子束曝光系统相同，由离子发射源、离子束、工作台、真空和控制系统等组成。正如电子束系统的核心是电子光学系统一样，将离子聚焦成细束的核心部件也是离子光学系统。离子光学和电子光学最基本的区别：离子的荷质比比电子小得多，所以磁场不能有效地调节离子束的运动。目前，聚焦离子束系统只使用静电透镜和静电偏转器。静电透镜结构简单，不发热，但像差大。

　　典型的聚焦离子束系统为两级透镜系统。液态金属离子源产生的离子束，在外加电场( Suppressor) 的作用下，形成一个极小的尖端，再加上负电场( Extractor) 牵引尖端的金属，从而导出离子束。首先，在通过第一级光阑之后，离子束被第一级静电透镜聚焦，初级八级偏转器用于调整离子束以减小像散。经过一系列的可变化孔径( Variable aperture) ，可灵活改变离子束束斑的大小。其次，次级八极偏转器使离子束根据被定义的加工图形进行扫描加工，通过消隐偏转器和消隐阻挡膜孔可实现离子束的消隐。最后，通过第二级静电透镜，离子束被聚焦到非常精细的束斑，分辨率可至约5nm。被聚焦的离子束轰击在样品表面，产生的二次电子和离子被对应的探测器收集并成像。

　　蔡司双束电镜Crossbeam系列

　　蔡司双束电镜Crossbeam系列结合了高分辨率场发射扫描电(FE-SEM)的出色成像和分析性能，以及新一代聚焦离子束(FIB)的优异加工能力。无论是用于多用户实验平台，还是科研或工业实验室，利用Crossbeam系列模块化的平台设计理念，您可基于自身需求随时升级仪器系统(例如使用LaserFIB进行大规模材料加工)。在加工、成像或是实现三维重构分析时，Crossbeam系列将大大提升您的聚焦离子束(FIB)应用效率。