聚焦離子束（FIB）技術(shù)是一種將高能離子流聚焦成細(xì)束的儀器，可對(duì)樣品進(jìn)行精密操作，尤其擅長(zhǎng)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的切割、成像和修復(fù)。隨著FIB技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍已從早期的半導(dǎo)體制備擴(kuò)展到材料科學(xué)、納米加工以及高分辨率成像等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的FIB系統(tǒng)多基于鎵（Ga⁺）離子源，其強(qiáng)度較低且樣品污染性較高。近年來(lái)，基于氦（He⁺）和鋰（Li⁺）等輕元素的離子源技術(shù)相繼被開(kāi)發(fā)，但仍然無(wú)法克服空間分辨率和樣品損害問(wèn)題。銫（Cs⁺）和銣（Rb⁺）作為新的離子源材料，具有出色的性能。zeroK公司運(yùn)用曾獲諾貝爾獎(jiǎng)的激光冷卻技術(shù)，創(chuàng)新性地研發(fā)推出了基于極低溫銫離子源（Cs⁺ LoTIS）的新一代高性能聚焦離子束系統(tǒng)-FIB: ZERO（Cs⁺ LoTIS）。該技術(shù)溫度可達(dá)~10μK，可以有效減少離子束中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好的聚焦精度、更穩(wěn)定的束流特性、更好的低電壓表現(xiàn)以及更清晰的成像效果。基于上述優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)IB: ZERO正逐漸成為FIB領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統(tǒng)-FIB: ZERO

FIB: ZERO亮點(diǎn)展示

加工精度對(duì)比

左圖為Ga⁺離子源FIB系統(tǒng)對(duì)多晶銀樣品的切割效果（30kV，230pA），右圖為ZeroK Nanotech FIB: zero 對(duì)同一樣品進(jìn)行切割效果（16kV，130pA）。

在硅上沉積的銅層進(jìn)行矩形形狀的切割工藝，（層厚1150 nm，20μm*20μm，切削時(shí)間為20 min ），左中右分別為Ga+離子源FIB在30kV@2640pA，16kV@1440pA下進(jìn)行切割和ZeroK Nanotech FIB: zero在16kV@1070pA下進(jìn)行切割工藝的效果展示。

加工速度對(duì)比

在10 kV下，Cs⁺離子束磨削速度同30kV下的Ga⁺離子束相當(dāng)，比10kV下的Ne⁺離子束的磨削速度高90%。

加工損傷范圍對(duì)比

SRIM（The Stop and Range of Ions in Matter）模擬離子束在加工硅的過(guò)程中對(duì)材料的影響范圍。圖從左右分別為Ne⁺ 10kV, Ga⁺ 30kV, Cs⁺ 10kV。從圖可以看出，Cs⁺離子源對(duì)被加工材料的損傷范圍小。

成像效果對(duì)比

左圖為Ga⁺離子源FIB系統(tǒng)對(duì)120 μm高的樣品成像結(jié)果，右圖為ZeroK Nanotech FIB：ZERO對(duì)同一樣品的成像結(jié)果。

FIB: ZERO案例展示

近日，來(lái)自埃因霍溫理工大學(xué)和萊茵蘭-普法爾茨技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)借助新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統(tǒng)-FIB: ZERO研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在掃描離子顯微鏡（SIM）成像中的表現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。研究顯示，與傳統(tǒng)的Ga⁺ FIB系統(tǒng)相比，Cs⁺離子束可提供更高的二次電子（SE）產(chǎn)率，極大地提高了成像的信噪比。此外，Cs⁺離子束在成像分辨率、材料對(duì)比度和表面靈敏度等方面優(yōu)勢(shì)突出，能夠以較低的能量實(shí)現(xiàn)高亮度成像，從而顯著降低樣品損傷。上述特性使其特別適用于復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的分析和高精度半導(dǎo)體加工，有望成為下一代納米技術(shù)和半導(dǎo)體行業(yè)的核心工具。

本文中的SIM實(shí)驗(yàn)在凱澤斯勞滕大學(xué)的Cs⁺ FIB: ZERO上開(kāi)展，Rb⁺/Ga⁺ FIB均在配置幾乎相同的儀器上進(jìn)行測(cè)試。下圖展示了使用 Rb⁺ 和 Cs⁺ 離子束對(duì)不同樣品進(jìn)行掃描離子顯微成像（SIM）的二次電子（SE）和二次離子（SI）模式的圖像。樣品包括金（Au）和部分覆蓋了FIB提升網(wǎng)格的鋁（Al）標(biāo)準(zhǔn)樣品。在SE 和 SI 模式下的圖像，揭示了兩種模式在材料對(duì)比度和表面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)展示上的差異。SI模式對(duì)樣品表面形貌變化（例如刻蝕區(qū)域）不太敏感，而在SE模式中，同一區(qū)域顯得更暗。這表明SI模式在材料對(duì)比度上的表現(xiàn)更佳，而SE模式更能凸顯樣品的表面特征。

下圖對(duì)Rb⁺（8.5 kV）、Cs⁺（2-16 kV）以及Ga⁺（8 kV和16 kV）在不同樣品上的二次電子（SE）產(chǎn)量進(jìn)行了對(duì)照。樣品包括鋁（Al）、金（Au）、銀（Ag）等純?cè)亍Ｍㄟ^(guò)對(duì)比不同能量和不同離子源的SE產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)Rb⁺ 和 Cs⁺ 離子在提升成像信噪比方面的優(yōu)勢(shì)。尤其是在鋁等樣品上，Cs⁺的SE產(chǎn)量尤為高，這表明使用Cs⁺成像時(shí)可以獲得更高的信噪比。

下圖展示了Rb⁺（8.5 kV）、Cs⁺（5-16 kV）和Ga⁺（8-16 kV）在不同元素（如鋁、銀、銅等）上的相對(duì)二次離子信號(hào)強(qiáng)度。通過(guò)比較不同離子源在不同元素上的相對(duì)SI信號(hào)強(qiáng)度，分析不同離子源在SI成像模式下的材料對(duì)比度表現(xiàn)。隨著樣品的原子序數(shù)（Z₂）的增加，Yrel（相對(duì)二次離子信號(hào)）逐漸升高，表明對(duì)于高Z₂樣品，Cs⁺和Ga⁺系統(tǒng)在SI模式下能夠產(chǎn)生更高的相對(duì)信號(hào)，且Cs⁺表現(xiàn)出較高的SI信號(hào)。

下圖(a)展示了基于擬合模型預(yù)測(cè)的Cs⁺、Rb⁺ 和Ga⁺的相對(duì)二次離子信號(hào)（Yrel）值，圖(b)展示了不同離子源在不同樣品上的BSI（回散離子）/SI（二次離子）比率變化。通過(guò)擬合模型，定量分析不同離子源在SI和BSI信號(hào)之間的貢獻(xiàn)變化，特別是隨著原子序數(shù)增加，信號(hào)如何發(fā)生變化。結(jié)果表明，Cs⁺的SI信號(hào)的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于BSI，而Ga⁺和Rb⁺則表現(xiàn)出較高的BSI信號(hào)。這說(shuō)明Cs⁺離子在材料分析中的表面靈敏度更強(qiáng)，適合二次離子成像。

綜上所述，基于Cs⁺離子源的FIB系統(tǒng)，在同其他離子源（包括Rb⁺和Ga⁺）對(duì)比中，相似的束能下可以誘導(dǎo)更多的SE，這使得FIB: ZERO在成像質(zhì)量和信噪比方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而相對(duì)SI成像信號(hào)Y_rel的結(jié)果顯示Cs⁺和Ga⁺的材料對(duì)比相似，使用簡(jiǎn)單的線性模型擬合測(cè)得的Y_rel數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)在相似的離子束能量下，Cs⁺離子可以誘導(dǎo)比Rb⁺和Ga⁺更高的相對(duì)SI率。這些都表明，ZeroK（Cs⁺ FIB） 系統(tǒng)有望在材料科學(xué)、納米技術(shù)和半導(dǎo)體制造領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，尤其是具有高表面敏感性和微乎其微的樣品破壞性，使其在樣品制備和實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。