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FIB測試在材料測試中存在的重要缺陷以及改善方法

來源：測試GO 時(shí)間：2022-09-15 17:15:27 瀏覽：5253次

FIB（聚焦離子束，F(xiàn)ocused Ion beam)是將離子源(常用Ga，也有 He和Ne離子源)產(chǎn)生的離子束經(jīng)過離子槍加速聚焦后作用于樣品表面。通過產(chǎn)生二次電子信號(hào)取得電子像，這與掃描電子顯微鏡（SEM）相似；另外通過強(qiáng)電流離子束轟擊樣品表面，利用物理碰撞對(duì)微、納米級(jí)表面形貌加工。也可以物理濺射的方式搭配化學(xué)氣體反應(yīng)，有選擇性的剝除金屬，氧化硅層或沉積金屬層。刻蝕和切割是聚焦離子束技術(shù)最主要的功能。FIB通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制離子束的掃描路徑與掃描區(qū)域，從而按照設(shè)定的圖案刻蝕出設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際聚焦離子束加工制作微納米結(jié)構(gòu)時(shí)，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最終加工制作出的結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷主要包括：

1

傾斜側(cè)壁

在聚焦束斑內(nèi)，離子呈現(xiàn)出高斯分布，越靠近束斑中心，離子相對(duì)數(shù)量越大。若離子束按單個(gè)像素點(diǎn)刻蝕轟擊樣品，將形成錐形截面輪廓的孔洞。隨著刻蝕深度的增加，截面的錐度將逐漸減小直至飽和。因材料及其晶體取向不同，截面通常會(huì)有~4°的錐度。

改善：要想得到與樣品表面完全垂直的截面，通常采用將樣品人為傾斜特定的角度的方式，來補(bǔ)償截面和離子束入射角度間的誤差。（也可采用側(cè)向入射的方式，采用定義刻蝕圖案，調(diào)節(jié)截面和表面之間的夾角，靈活地加工出形狀更加復(fù)雜的三維微納米結(jié)構(gòu)。）

2

窗簾結(jié)構(gòu)

聚焦于離子束的樣品截面中，還有一項(xiàng)必須注意的特殊情況就是截面的平整度，有時(shí)會(huì)在斷面上產(chǎn)生豎直線條，被稱之為窗簾結(jié)構(gòu)。窗簾結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要和聚焦離子束切割固有的傾斜側(cè)壁有關(guān)，同時(shí)若樣品表面形貌起伏或者成分不同，會(huì)引起表面刻蝕速度不同，從而產(chǎn)生窗簾結(jié)構(gòu)。

改善：針對(duì)產(chǎn)品表面形貌起伏產(chǎn)生的特殊窗簾結(jié)構(gòu)，方法一般是在樣品表面FIB進(jìn)行化學(xué)氣相沉積形成一層保護(hù)膜，使表面更加平滑；也可通過調(diào)整離子束的入射角度，在沒有起伏的表面進(jìn)行分割，從而避免其干擾。針對(duì)成分不同而引起的窗簾結(jié)構(gòu)，可采用搖擺切割的方法，使離子束在多個(gè)角度入射進(jìn)行消除。

3

非均勻刻蝕

聚焦離子束通常能夠直接且迅速地加工制作成微納米平面形狀結(jié)構(gòu)，而針對(duì)非晶體材料或單質(zhì)單晶材料，通過FIB刻蝕技術(shù)通常能夠獲得十分均勻的輪廓形狀和底面結(jié)構(gòu)，而針對(duì)多晶體材料和多元化合物材料，則因?yàn)椴煌w粒的取向差異，刻蝕速度在各個(gè)顆粒區(qū)域有所不同，通常會(huì)呈現(xiàn)非均勻刻蝕，底面并不平整。

改善：對(duì)于多晶材料出現(xiàn)加工缺陷，可增加掃描每點(diǎn)的停留時(shí)間進(jìn)行改善；增大離子束在每點(diǎn)的停留時(shí)間，再沉積（聚焦離子束轟擊固體材料時(shí)，固體材料的原子被濺射逸出的過程中，部分原子落回樣品表面，該過程稱為再沉積。）的影響就會(huì)增強(qiáng)，再沉積的原子落入凹陷處的幾率更高，可以起到平坦化的作用，從而改善刻蝕底面的平整性。

隨著納米科技的發(fā)展與應(yīng)用，納米加工成為納米制造業(yè)的核心部分，而納米加工的代表性方法就是近年來發(fā)展起來的聚焦離子束技術(shù)（FIB）。利用電透鏡將離子束聚焦成小尺寸離子束，轟擊樣品表面，實(shí)現(xiàn)材料的剝離、沉積、注入、切割和改性。通過分析研究聚焦離子束加工過程中可能出現(xiàn)的缺陷，以及改進(jìn)方法，使得聚焦離子束能在納米加工領(lǐng)域得到更廣闊的應(yīng)用。

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