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諾貝爾獎技術加持!激光冷卻技術助力FIB新革命!

更新時間:2023-11-15點擊次數:103

聚焦離子束(FIB)技術是一種將高能離子流聚焦成細束的儀器,可對樣品進行精密操作,尤其擅長對微觀結構進行高精度的切割、成像和修復。隨著FIB技術的進步,其應用范圍已從早期的半導體制備擴展到材料科學、納米加工以及高分辨率成像等領域。


傳統的FIB系統多基于鎵(Ga+)離子源,其強度較低且樣品污染性較高。近年來,基于氦(He+)和鋰(Li+)等輕元素的離子源技術相繼被開發,但仍然無法克服空間分辨率和樣品損害問題。銫(Cs+)和銣(Rb+)作為新的離子源材料,具有出色的性能。zeroK公司運用曾獲諾貝爾獎的激光冷卻技術,創新性地研發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-FIB: ZERO(Cs+ LoTIS)。該技術溫度可達~10μK,可以有效減少離子束中的隨機運動,實現更好的聚焦精度、更穩定的束流特性、更好的低電壓表現以及更清晰的成像效果。基于上述優勢,FIB: ZERO正逐漸成為FIB領域的研究熱點。



新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統-FIB: ZERO


FIB: ZERO亮點展示


加工精度對比



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



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


加工速度對比



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

 

加工損傷范圍對比



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


成像效果對比

左圖為Ga+離子源FIB系統對120 μm高的樣品成像結果,右圖為ZeroK Nanotech FIB:ZERO對同一樣品的成像結果。



FIB: ZERO案例展示


近日,來自埃因霍溫理工大學和萊茵蘭-普法爾茨技術大學的科研團隊借助新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統-FIB: ZERO研究發現,該系統在掃描離子顯微鏡(SIM)成像中的表現顯著優于傳統技術。研究顯示,與傳統的Ga+ FIB系統相比,Cs+離子束可提供更高的二次電子(SE)產率,極大地提高了成像的信噪比。此外,Cs+離子束在成像分辨率、材料對比度和表面靈敏度等方面優勢突出,能夠以較低的能量實現高亮度成像,從而顯著降低樣品損傷。上述特性使其特別適用于復雜納米結構的分析和高精度半導體加工,有望成為下一代納米技術和半導體行業的核心工具。


本文中的SIM實驗在凱澤斯勞滕大學的Cs+ FIB: ZERO上開展,Rb+/Ga+ FIB均在配置幾乎相同的儀器上進行測試。下圖展示了使用 Rb+ 和 Cs+ 離子束對不同樣品進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提升網格的鋁(Al)標準樣品。在SE 和 SI 模式下的圖像,揭示了兩種模式在材料對比度和表面結構細節展示上的差異。SI模式對樣品表面形貌變化(例如刻蝕區域)不太敏感,而在SE模式中,同一區域顯得更暗。這表明SI模式在材料對比度上的表現更佳,而SE模式更能凸顯樣品的表面特征。




下圖對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)產量進行了對照。樣品包括鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)等純元素。通過對比不同能量和不同離子源的SE產量,發現Rb+ 和 Cs+ 離子在提升成像信噪比方面的優勢。尤其是在鋁等樣品上,Cs+的SE產量尤為高,這表明使用Cs+成像時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)上的相對二次離子信號強度。通過比較不同離子源在不同元素上的相對SI信號強度,分析不同離子源在SI成像模式下的材料對比度表現。隨著樣品的原子序數(Z2)的增加,Yrel(相對二次離子信號)逐漸升高,表明對于高Z2樣品,Cs+和Ga+系統在SI模式下能夠產生更高的相對信號,且Cs+表現出較高的SI信號。





下圖(a)展示了基于擬合模型預測的Cs+、Rb+ 和Ga+的相對二次離子信號(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。通過擬合模型,定量分析不同離子源在SI和BSI信號之間的貢獻變化,特別是隨著原子序數增加,信號如何發生變化。結果表明,Cs+的SI信號的貢獻要遠大于BSI,而Ga+和Rb+則表現出較高的BSI信號。這說明Cs+離子在材料分析中的表面靈敏度更強,適合二次離子成像。




綜上所述,基于Cs+離子源的FIB系統,在同其他離子源(包括Rb+和Ga+)對比中,相似的束能下可以誘導更多的SE,這使得FIB: ZERO在成像質量和信噪比方面具有絕對優勢。而相對SI成像信號Yrel的結果顯示Cs+和Ga+的材料對比相似,使用簡單的線性模型擬合測得的Yrel數據,預測在相似的離子束能量下,Cs+離子可以誘導比Rb+和Ga+更高的相對SI率。這些都表明,ZeroK(Cs+ FIB) 系統有望在材料科學、納米技術和半導體制造領域取得廣泛應用,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時監控應用中具有明顯優勢。


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