介绍了聚焦离子束纳米加工

电浆设备的低聚物数组直接制成盟电影聚焦离子束均匀性和位置精度的大区域。剩下的丝带相邻圈子缩小到30 nm 80 nm厚的非盟的电影。样本的斯图加特大学4^th物理研究所和模式由Raith GmbH是一家。图片来源:Raith

聚焦离子束(FIB)系统,从半导体制造最新的工业加工微流控设备在学术实验室,已经成为不可或缺的工具制造和控制在纳米尺度上。系统可以运行在几乎任何材料不需要面具,直接制作3 d和2 d功能跨越从几纳米到数百微米大小。

类似于扫描电子显微镜(SEM),FIB系统通常利用一束离子、镓离子而不是电子。如果这个离子束扫描基质,它将改变衬底的表面在许多不同的方式,使材料包括,删除,或改革,基于梁的属性和衬底。

这使得FIB高度灵活和通用的制造方法,可以用于样品制备、纳米加工和设备处理。FIB的主要开发工具是由专属功能电路改变半导体行业和计算机芯片修复。然而,FIB已经通过更大范围的科学和技术领域,因为他们的能力制造复杂的纳米结构和模式。FIB仪器目前被用于开发的最新一代微型机电系统(MEMS)、微流控芯片,光子设备和纳米孔膜进行DNA测序。

本文中,基于基本知识简报由威利出版:显微镜和分析,提供了一个介绍FIB的纳米加工应用,描述的方法是如何工作的,详细说明如何监管模式,它可以创建和总结的结构。本文还概述了许多有用的问题与方法,解释了可能发生的潜在问题以及如何解决这些问题,并提供了示例的心房纤颤是如何被受雇于研究人员在他们的研究。最后,它展示了方法将如何发展和进步的技术以及应用在未来几年。

历史和背景

由于它的灵活性和通用性,心房纤颤是一个受欢迎的制造技术。这源于这样一个事实:扫描聚焦束离子对衬底可以修改其表面以几种不同的方式,可用于纳米加工。消除和移动原子是最明显的方式离子束可以改变表面。这使得FIB系统腐蚀模式精度从数以百计的微米到几纳米不需要面具。此外,梁还可以用来定位材料上表面以及离子嵌入到表面,改变底物的化学组成和物理结构。由于这种多功能性和灵活性,FIB发现应用程序除了制造,尽管这些不会全面本文中讨论。

反映其相似性,SEM、FIB可以产生高分辨率图像的表面通过收集二次电子时创建束离子轰击衬底。此外,FIB特定场地的准备是常用的样本,包括几乎所有的样品材料和生物科学、透射电子显微镜(TEM)调查,通过删除不必要的材料和暴露出令人兴奋的特性。欧洲杯线上买球

FIB的使用可以追溯到1975年,当克罗伊·林格和VE Krohn在伊利诺斯州的阿贡国家实验室,美国开始了离子束与高亮度(强度)和液体镓离子源。美国后,实验室在马里布,采用镓离子源的第一个扫描离子显微镜直接模式有效地利用。他们创造了一个100纳米分辨率梁和用它来磨100 nm宽线40 nm厚金膜放置在硅衬底。

到1980年代中期,离子束光学的发展让研究人员提高分辨率10纳米,这最终导致了FIB的接受半导体行业分析和维修电路,和加工设备。例如,可以使用离子束沉积导电材料为了将其重新连接,或减少电气连接电路。最近,学术研究者使用FIB制造范围广泛的纳米尺度和微尺度结构,如microtools nanorotors,纳米孔和超导薄膜设备。

FIB的独家功能源自复杂现象发生离子,快速的在高能源,轰击固体样品的表面。溅射是一个重要的物理效应,即离子去除衬底表面的原子。当光束扫描基质,它可以去除材料,从而腐蚀2 d和3 d形状非常精确。这也称为铣削。

然而,当样本遭受高能离子束,整个表面原子不是删除但是几个原子表面仍将和这些将会被激发到激发态。这种效应提供了主要的二次电子发射可用于存放材料通过气体辅助沉积到衬底,其中包括使样品分子在气相同时定位与离子束表面。欧洲杯足球竞彩这些材料可以欧洲杯足球竞彩包括铂和钨等金属,以及绝缘体材料,如二氧化硅。

光子设备(波长和耦合器)在硅衬底由直接铣聚焦离子束镓。图像由Raith彭教授,北京大学,中国。图片来源:Raith

最初,罚款喷嘴用于喷雾的前体气体在表面:存款钨(W),例如,六羰基钨(W (CO)₆)将作为前体气体。气体吸附在衬底,它创造了各种产品通过与激动的表面原子反应,二次电子,和离子束。如果这些产品是不稳定的,他们只会打破的衬底和排放;然而,某些产品可能化学腐蚀表面的薄膜衬底表面或收集。

这些薄膜可以是部分所需的结构或可以用作牺牲层的保护底层基板的破坏梁的溅射。最小的特性,可以被放置的顺序通常是100海里(横向维度),尽管在某些情况下,这可以减少到20 nm,边缘厚度大约10纳米。

FIB系统甚至可以改变材料表面通过嵌入离子。当高能离子的样品,除了溅射原子从表面,其中一些将会进入前几纳米,从而陷入。植入可以用来仔细涂料底物与特定的离子,如使用镓离子添加剂复合半导体器件

材料的物理结构也可以改变由离子束表面原子的移动,随着植入,使高度非晶态材料。在一些情况下,这只是一个不必要的损失,必须停止,但它也有有益的应用程序。创建一个面具的截然不同的形状是一个好处。这个面具展品更无定形结构相比其他衬底区域,它可以有选择地删除使用化学腐蚀。这些方法使用监管得力低剂量离子束损伤涉及直接变更的样本属性或指导一个随后的处理步骤,例如修改腐蚀选择性,呈现另一种制造替代。

在现有FIB系统液态金属离子源(lmi)主要生产离子束因为他们产生明亮的和高度集中的光束耦合到适当的光学时()。虽然有几种不同类型的lmi,最广泛使用的是基于镓。

相比其他lmi金属镓有几个优点,包括低熔点温度(30°C)和较低的蒸汽压。低熔点的温度很容易设计和源工作,和低蒸气压确保蒸发是无关紧要的。

磁域定义为特定的低剂量离子束损害(多层混合)不创建任何表面形貌。复制从Gierak J许可,梅利D,霍克斯P, et al。探索终极模式潜在可实现高分辨率的主要离子光束。应用物理2005;80:187 - 94©施普林格。图片来源:Raith

类似于电喷射的过程形成了离子束。在这个过程中,液体镓喷雾从一个带电钨针,导致电离。由此产生的离子加速5-50 keV的能量,通过静电透镜聚焦在样品。lmi)产生的离子光束高电流密度。先进的FIB能够交付样品数以毫微安的电流,或成像光斑尺寸的样品只有几个纳米。

镓是无伤大雅的谎言最常用的离子源,但也有其他的选择可以更适合特定的应用程序。这些包括金属合金生产的金属组合的一般用于lmi,黄金等硅或锗。离子光束用金属合金的实际寿命和稳定性,但真正获得它们使处理各种离子。

另一个选择是气田离子源(-)。这些形式从氢离子光束以及高贵的元素,例如氦在气相冷凝的气体到带电钨针场电离。gfi可以产生窄光束比可能与lmi,提高模式分辨率,但妥协一些稳定和相对较短的一生。除了电子喷雾,如等离子体和电子轰击,也有许多来源转换成离子的方法。例如,氙等离子体源可以产生光束,在铣削比镓束溅射收益率更高。

在实践中

在所有FIB的潜在应用,纳米加工要求最高水平的离子束稳定和控制,因为生产精细图案的过程和详细的结构在拉伸区域可能需要数小时甚至数天。这意味着一个一致的电子束电流和离子发射,梁和精细控制大小和定位

通常,聚焦离子束镓有大约30 keV能量,但这个范围可以从5 keV 50凯文。束的直径(光斑大小)和当前可以如下小如5 nm和1 pa,分别。在天平的另一端,当前可以约100 nA和光斑大小可以超越500海里。然而,对于制造应用程序,梁水流向低端(1 pA 1 nA)往往被利用,因为它们提供所需的分辨率。

总的来说,刻蚀分辨率时更好的光束直径较小。束的直径是建立的电子束电流,大电流产生广泛的光束,镜头聚焦光束。当前一代的FIB仪器可以低于10 nm腐蚀特性,基于特定的交互与样品和光束的大小。

另一束属性影响分辨率梁侧面,意义如何射线的强度变化对其宽度。这个概要文件包含一个中心最大的峰值强度包围尾巴强度降低;这些反面应该尽可能小的高分辨率的制造

离子剂量,这意味着离子的数量交付的光束,通常分为几个部分和在几轮。重复扫描的数量(循环或通行证)的范围可以从100年到100万年为辅助沉积和铣削的从1到10000。对于前者,通常有一个延迟,约1毫秒,多次扫描点之间;这被称为刷新时间。

停留时间是指的时间长度,离子束停在一个特定的扫描点和可以改变从50纳秒到1秒,同时居住点之间的距离(步长或沥青)通常是50 - 200%的光斑大小。

基质是放置在一个舞台,可以在三个不同的方向旅行,有一些阶段也能够倾斜和旋转,而离子光学聚焦和形状并扫描离子束在基板的表面。大部分阶段采用标准位置编码系统。阶段配备激光干涉仪位置控制提供大面积纳米加工的精度和稳定性。同时,专用FIB奈米制造系统集成等超精确的阶段,类似于电子束光刻系统。阶段通常是面向水平,离子束垂直放置。

离子束和搬到舞台上,刻有计算机辅助设计工具模式定义的底物。住点,停顿时间,扫描路径需要实现设计由软件自动建立商业FIB系统一起提供。这个软件也可以考虑基质的组成;基板,没有坚强的意志需要更多轮在短的停顿时间。

的主要优势心房纤颤的奈米制造执行直接模式的能力,防止复杂面具的必要性和模式转移过程。因此,制备过程简单,需要更少的步骤。

这有助于解释为什么半导体行业是第一个无伤大雅的纳米加工的工业用户。使用一份礼物,FIB半导体行业定义和修改prototype-integrated电路设备,以及测试物理故障。离子束,类似于micro-soldering铁,可以精确地磨切断开连接,然而也可以连接两块沉淀线的导电材料在另一个领域。目前,常规程序包括重新布线互联电路编辑或者有选择地deprocessing芯片上的特定区域检查有缺陷的组件。所有这些不会造成太多损害可进行硅衬底。

FIB也正在使用的硬盘驱动器制造业调整磁写正面。而读写头大多采用光学光刻技术制造的,额外的FIB铣一步形状上的磁条晶片用于写作。

最近,无伤大雅的谎言也成为一个受欢迎的技术为开发高精度MEMS压力传感器和执行器等微观结构,以及光子设备和扫描探针显微镜技巧。铣、腐蚀和沉积FIB函数方法对MEMS加工可满足的,他们表面上启用直接高分辨率模式定位在不同的角度,如垂直或曲面。除了表面修改,铣也可以实现整个制造的悬臂梁等结构。

目前,心房纤颤是唯一可以产生复杂的纳米加工方法,高分辨率三维表面模式任何类型的固体材料。精心制作的,无伤大雅的谎言能够制造分层结构像nanoscale-stacked“结”设备,有潜力为光伏设备包含两个或两个以上的半导体材料堆放的太阳能电池。欧洲杯足球竞彩

电浆nano-antenna的金色涂布AFM小费。直接铣,即不需要使用抵制,使得高分辨率特性甚至在地形样本。图像由Raith近代教授,斯坦福大学,美国。图片来源:Raith

石墨是另一个分层结构适合FIB纳米加工。它由厚层纯碳(石墨烯)堆在上面。石墨烯具有独特的电气和电子特性,因此它最近热门的研究主题。FIB 3 d腐蚀可以创建sub-micrometer堆叠包含大量石墨材料的连接,以及纳米设备(如3 d单电子晶体管(套)设备,石墨烯带的制作都和石墨烯超级电容。欧洲杯足球竞彩

有时,只适合FIB制备操作处理。例如,铣和3 d沉积方法可以用来制造微流体设备包含一个小的网络渠道,直径从1µm 100µm,液体容易流过。这些设备被用于广泛的生物和化学应用,如细胞培养和DNA分析。

考虑到小尺度上提供这些设备,很难完成的混合液体。这个问题可以解决由FIB模式提炼3 d频道形状,创建混合利用几何模式在一个单一的制造步骤。

这些信息已经采购,审核并改编自Raith提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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