92613-电镜实验-FIB

一、FIB简介
聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器,目前商用系统的离子束为液相金属离子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS),金属材质为镓(Gallium, Ga),因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力;典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备,外加电场(Suppressor)于液相金属离子源 可使液态镓形成细小尖端,再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓,而导出镓离子束,在一般工作电压下,尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2,以电透镜聚焦,经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小,再经过二次聚焦至试片表面,利用物理碰撞来达到切割之目的。以下为其切割(蚀刻)和沉积原理图:
产品测试在成像方面,聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近,其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源,影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗
振动和磁场的状况,目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm,虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜,但是对于定点结构的分析,它没有试片制备的问题,在工作时间上较为经济。
二、 工作原理
发泡聚苯乙烯1. 液态金属离子源
离子源是聚焦离子束系统的心脏,真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现,液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点,使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源[1、2]。
在源制造过程中,将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5-10μm的钨针,然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上,在外加强电场后,液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端(泰勒锥),液态尖端的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下,液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面,产生离子束流。由于液态金属离子源
的发射面积极小,尽管只有几微安的离子电流,但电流密度约可达106A/cm2,亮度约为20μA/sr。
2. 聚焦离子束系统
聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术,目前商用FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力,因而液态金属离子源中的金属材料多为镓(Gallium,Ga)[3、4]。图2给出了聚焦离子束系统结构示意图。
在离子柱顶端外加电场(Suppressor)于液态金属离子源,可使液态金属或合金形成细小尖端,再加上负电场(Extractor)牵引尖端的金属或合金,从而导出离子束,然后通过静电透镜聚焦,经过一连串可变化孔径(Automatic Variable Aperture,AVA)可决定离子束的大小,而后用E×B质量分析器筛选出所需要的离子种类,最后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描,离子束轰击样品,产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。
三、 功能应用
1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。 广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。
2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料,在局部区域作导体或非导体的沉积,可提供金属和氧化层的沉积(Metal and TEOS Deposition),常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和钨(Tungstun,W)二种。
3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-辅以腐蚀性气体,加速切割的效率或作选择性的材料去除。
4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号,藉以了解切割或蚀刻的进行状况。
四、 性能对比
1、结构差异:主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间,电子源在样品上方发射电子,经过聚光镜,然后穿透样品后,有后续的电磁透镜继续放大电子光束,最后投影在荧光屏幕上;扫描电镜的样品在电子束末端,电子源在样品上
方发射的电子束,经过几级电磁透镜缩小,到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同,但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。
    相同之处:都是电真空设备,使用绝大部分部件原理相同,例如电子,磁透镜,各种控制原理,消象散,合轴等等。
2、基本工作原理:
    透射电镜:电子束在穿过样品时,会和样品中的原子发生散射,样品上某一点同时穿过的电子方向是不同,这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间,这些电子通过过物镜放大后重新汇聚,形成该点一个放大的实像,这个和凸透镜成像原理相同。这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲,但可以这么想象,如果样品内部是绝对均匀的物质,没有晶界,没有原子晶格结构,那么放大的图像也不会有任何反差,事实上这种物质不存在,所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大(具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的,如果亮度无限大,最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定),最后投影在荧光屏上成像。由于透射电镜物镜焦距很短,也因此具有很小的像差系数,所以透射电镜具有非常高的空间分辨率,0.1-0.2nm,但景深比较小,对样
品表面形貌不敏感,主要观察样品内部结构。
      扫描电镜:电子束到达样品,激发样品中的二次电子,二次电子被探测器接收,通过信号处理并调制显示器上一个像素发光,由于电子束斑直径是纳米级别,而显示器的像素是100微米以上,这个100微米以上像素所发出的光,就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描,并且从几何排列上一一对应调制显示器的像素的亮度,便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙,一般要求较大工作距离,这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长,相应的相差系数较大,造成最小束斑尺寸下的亮度限制,系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长,图像景深比透射电镜高的多,主要用于样品表面形貌的观察,无法从表面揭示内部结构,除非破坏样品,例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM,可以层层观察内部结构。伤流液
      透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子,而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像,而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。双极化天线
3、样品制备:
    TEM:电子的穿透能力很弱,透射电镜往往使用几百千伏的高能量电子束,但依然需要把样品磨制或者离子减薄或者超薄切片到微纳米量级厚度,这是最基本要求。透射制样是学问,制样好坏很多情况要靠运气,北京大学物理学院电子显微镜实验室,制样室都贴着制样过程规范,结语是祝你好运!
    SEM: 几乎不用制样,直接观察。大多数非导体需要制作导电膜,绝大多数几分钟的搞定, 含水的生物样品需要固定脱水干燥,又要求不变形,比较麻烦,自然干燥还要晒几天吧。
高压捕鼠器>电流变换器
    二者对样品共同要求:固体,尽量干燥,尽量没有油污染,外形尺寸符合样品室大小要求。

本文发布于:2024-09-20 13:41:22,感谢您对本站的认可!

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标签:样品   金属   离子束   离子   液态   离子源   聚焦   电子束
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