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FIB小知识:离子源的种类

作者:hezao

聚焦离子束(Focused Ion BeamFIB)系统是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的微加工系统。通过高能离子轰击材料表面,实现材料的剥离、沉积、注入和改性。其中离子源是FIB的关键部件之一。目前商用系统的离子束多为液态金属离子源(Liquid Metal Ion SourceLMIS),其中镓元素具有低熔点、低蒸汽压及良好的抗氧化能力而被广泛的应用。Tescan除了能够提供常规的Ga+离子源,还能提供通过ExB质量过滤技术的Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Mn, Pb等专用金属离子源,以及利用电子回旋共振(ECR)的Xe或其他气体的等离子源。下面简要的介绍一下这些不同的离子源。

1. Ga+离子源

Ga+离子源的结构如下图所示, 发射极为尖端半径≤ 10µm的钨丝,液态Ga加热后覆盖到钨针尖上,为了使衬底上液态金属形成角状, 外加电场必须达到一定强度。发射开始时, 束流强度逐渐增加。足够强的电场将针尖上液态Ga 拉出一个泰勒锥, 锥形发射源微小尖顶的末端半径约2nm 左右, 场致离子发射就在此处发生。

离子源的发射电流是由引出极(Extractor)和抑制极控制的,精确调校这两个电极的电压将发射总电流控制在<3uA。液态Ga离子源的寿命与发射电流和使用习惯有很大的关系,目前该离子源的寿命都在3000uAhr以上。到达样品上的离子束流的大小通过光阑孔径来控制,使用液态Ga+ 离子源的FIB的束流一般小于100nA,因此该类FIB的微区加工能力有限,合理的加工尺寸往往小于几十微米。


2.   Xe等离子源

在2011年Orsay Physics就率先发布了能够用于FIB-SEM的Xe等离子源。Xe等离子源就是利用高频振动使惰性气体电离,然后通过引出极将离子束引出并进行聚焦。与液态Ga离子源不同,Xe等离子源的离子束经过光阑后到达样品的最大束流可以达到2uA,显著提高了FIB的微区加工能力,可以达到液态Ga离子FIB加工速度的50倍,因此具有更高的实用性,加工的尺寸往往达到几百微米。另外Xe还可以替换为其他容易电离的惰性气体或混合气体。目前Xe等离子源的最佳分辨率为25nm左右,还远远低于液态Ga离子源的2.5nm。但是随着束流的增加,Xe等离子源的束斑尺寸呈线性增加,但是液态Ga离子源的束斑尺寸随着束流的增加呈非线性的关系,如下图所示。