聚焦离子束(FIB)技术如今已成为半导体制造和许多研究实验室中广受欢迎的技术,它越来越多地用于分析各种材料以及微纳器件的快速原型制作。尽管如此,人们可能并不完全了解这一技术的悠久历史和复杂的发展历程。
事实上,FIB仪器和技术的历史可以追溯到很久以前。早在20世纪60年代,人们就开始探索利用离子束对样品进行分析和加工的可能性。随后的几十年里,这一技术不断发展和完善,逐步实现了从实验室原型到真正的应用产品的转变。
值得一提的是,FIB技术的发展是一个复杂创新的典型例子。它不仅依赖于预期的渐进式改进,也受益于各个领域的突破性进展。例如,离子源技术、聚焦光学系统以及计算机控制系统的不断优化,都为FIB技术的成熟发挥了关键作用。
需要特别强调的是,试图全面描述FIB这样一个动态话题的历史存在诸多局限性。本文的描述主要来自1984年以来活跃在该领域的FIB用户和开发者的视角,可能会存在一定的偏差和遗漏。但毋庸置疑,FIB技术已经成为当代科技发展的重要组成部分,在半导体制造、材料分析以及微纳加工等领域发挥着日益重要的作用。
1 高亮度离子源和FIB的发展
离子束技术在集成电路制造中扮演着重要的角色。在最初尝试局部处理材料时,研究人员测试了各种不同类型的离子源,其中包括气体离子源和液态金属离子源。
气体离子源最早在1974年被引入集成电路制造领域。当时,休斯研究实验室的Seliger和Fleming使用改装的气体离子源进行无掩模注入掺杂和抗蚀曝光。他们获得了直径3.5um、能量60keV的离子束,并成功使用氦束对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行曝光,并直接对硅进行无掩模的硼注入。虽然该源具有较低的电流密度((1–200 uA/cm2),但该技术的潜力已得到明确证实。
Seliger, R. L., and W. P. Fleming. Focused ion beams in microfabrication. J. Appl. Phys. 45 (1974):
与此同时,俄勒冈州研究中心的Orloff和Swanson致力于开发用于微束探针应用的气体场离子源。他们使用液氮冷却的细金属场发射尖端来电离氢或氩。该源具有优于108 Acm−2 sr−1,的高亮度、0.2nA的离子电流和约0.1um的分辨率。然而,这种需要低温的离子源笨重,未能在工业应用中得到推广。
Orloff, J., and L. W. Swanson. Study of a field-ionization source for microprobe applications. J. Vacuum Sci. Technol. 12 (1975): 1209.
另一种基于液态金属(LMIS或liquid metal ion source)的离子源,具有同样高的离子亮度和易于操作的特点,反而更为成功。FIB技术的历史,即导致今天基于Ga LMIS的现代FIB系统的发展,可以追溯到17世纪初。1628年,Gilbert可能是第一个观察并记录电场中液体偏转的人。他观察到,当将一块适当带电的琥珀靠近一滴水时,水会形成一个锥形,并从锥尖喷出小液滴:这是电喷雾和从锥形液体发射电场的首次记录观察。1914年,明尼苏达大学的John Zeleny在他的论文"从液体尖端的电放电及测量其表面电场强度的静电方法"中发表了从液体尖端放电的描述。
Zeleny, John. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces. Phys. Rev. 3 (1914):
1961年,Krohn是第一个研究带电液滴中离子形成的人,并探索了其在火箭推进中的应用。这些研究及后续研究发现,液态镓和液态锡倾向于产生离子而非液滴。这一结果限制了液态金属离子源(LMIS)在推进中的适用性,但最终促进了现代LMIS FIB系统的成功开发。
Krohn, V. E. Liquid metal droplets for heavy particle propulsion. Progress in Astronautics and Rocketry 5. New York: Academic, 1961
Krohn还报告了使用镓毛细管源的扫描FIB系统,这是现代FIB系统的首次演示。然而,使用毛细管源严重限制了离子源的亮度,给实际应用带来了挑战。
后来,1974年,Krohn报告了使用Ga,Sn和Pb-Bi毛细管源进行离子和液滴实验,1975年Krohn和Ringo报告开发了使用液态镓的改进离子源,其在21kV下的亮度为 0.9 × 105A cm−2 sr−1,总电流为10uA,有效源直径为0.2um,在靶上的焦斑为15um。他们还测试了Cs 和Hg,但效果较差。
Krohn, V. E. Electrohydrodynamic capilliary source of ions and charged droplets. J. Appl. Phys. 45 (1974)
同期,Clampitt及其合作者也在开发高亮度LMIS源,探索了Li, Cs, Sn, Ga和 Hg等不同金属。
Clampitt, R., K. L. Aitken, and D. K. Jefferies. Abstract: Intense field-emission ion souce of liquid metals. J. Vacuum Sci. Technol. 12 (1975)
1979年,Seliger等人报告了一种57kV的LMIS Ga+源,在探针处分辨率达100nm,电流密度和亮度分别为1.5 A/cm2和 3.3 × 106 A cm−2sr−1。该源用于在硅基底上沉积的40nm厚金膜中铣刻0.1um宽的线条,这是第一次成功使用扫描离子显微镜进行直接图案化。
Seliger, R. L., J. W. Ward, V. Wang, and R. L. Kubena. A high-intensity scanning ion probe with submicrometer spot size. Appl. Phys. Lett. 34 (1979)
Geoffrey Ingram Taylor爵士于1964年在他的论文"电场中水滴的破碎"中首次解释了液体在电场中的锥形形状。他的最后一篇研究论文发表于1969年,当时他已83岁。在论文中,他恢复了对雷暴中电活性的兴趣,即由电场驱动的导电液体喷射。这种观察到的锥形就是现代FIB系统中广泛使用的液态镓锥,也称为Taylor锥(或Taylor-Gilbert锥)。同样的Taylor锥概念也用于聚合物材料的电纺丝。
Taylor, G. I. Disintegration of water drops in an electric field. Proc. R. Soc. Lond. A 280.1382 (July 1964)
Taylor, G. I. Electrically driven jets. Proc. Roy. Soc. Lond. A 313 (1969)
在现代Ga源FIB系统中使用的真实液体锥,当液体表面电场达到1010伏特/米左右时,离子开始发射。这种量级的电场需要在约10kV的电压下,液体顶端距离提取电极几毫米时,液体尖端半径达到几纳米。
各种研究表明,Ga, In或Sn等低熔点金属可以很容易地在LMIS中液化。然而,对于半导体技术的许多应用,其他元素如Si, Be, B或 As更有吸引力。这些元素可以掺入合金中,从而降低熔点,也可以用于同类离子源。为了分离这些元素,Seliger及其合作者在1981年开发了使用交叉电磁场(ExB)的质量分离器。
R. L. Seliger. A mass-separating focused-ion-beam system for maskless ion implantation. J. Vacuum Sci. Technol. 19 (1981)
其他一些合金金属源也已成功开发并用于在化合物半导体器件中局部掺杂。日本电子公司（JEOL）开发的系统使用质量滤波器,允许在100kVFIB系统(JIBL 100型号)中选择性掺杂。AT&T贝尔实验室的L. Harriott是该系统在化合物半导体器件制造中选择性掺杂的主要用户。
Harriott, L. R., H. Temkin, R. A. Hamm, J. Weiner, and M. B. Panish. A focused ion beam vacuum lithography process compatible with gas source molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol. B 7 (1989)
1985年,离子光学理论的进步使Orloff和Sudraud能够设计出使用LMIS源的离子束镜筒,在用于光刻和注入的应用中达到10nm的超高分辨率。
Orloff, J. and P. Sudraud. Design of a 100 kV, high resolution focused ion beam column with a liquid metal ion source. Microelectron. Eng. 3 (1985)
早些时候,现代场离子显微镜中使用的尖状金属场发射体由Erwin Müller创造。
在LMIS和FIB的初期研究阶段做出重要贡献的科学家名单还应包括Mahoney、Mair、Anazawa、Levi-Setti、Gamo、Matsui、Namba等人。
2 FIB的应用
1987 年,J. Melngailis 发表了一篇关于FIB应用的详细综述。在那个时候,已出现大量应用,并且增长非常迅速。综述中认为以下领域具有最大的潜力:
• 注入(主要用于半导体的掺杂,使用合金源产生 B、As、Be 和 Si)；
• 铣削(用于掩模修复和电路的显微“手术”,即通过铣削校正集成电路)；
• 表面化学(已报告由离子撞击诱导的表面反应,包括使用 Cl2 等气体的刻蚀和金属如 Al、W 或 Au 的沉积)；
• 光刻(有机和无机抗蚀剂的修饰)；
• 材料微区分析(次级离子质谱或 SIMS)；
• 扫描离子显微镜。
Melngailis, J. Focused ion beam technology and applications. J. Vacuum Sci. Technol. B 5 (1987)
值得一提的是,当时全球使用的FIB系统约为 35 台,其中约有 25 台在日本。而现如今,使用的数量已多达上万台。
需要特别指出的是,当时以上所有应用都限于亚微米分辨率。不过,随着技术的进步,如今这些领域已经能够在纳米尺度上进行处理,这正是本文的讨论主题。
3 FIB仪器的市场导向发展
即使在最早的实验中，FIB技术在半导体工业的应用已经显示出了巨大的潜力,这推动了用于研究和工业应用的仪器设备的发展。因此,许多重要的贡献是在与大学实验室密切相关的私营公司中完成的。在1990年代,这些公司经历了显著的增长,引入了新型的工业和研究设备。
参与这一领域研究和开发的公司包括FEI（赛默飞）、JEOL、Orsay-Physics、日立、精工、卡尔·蔡司、Raith、Tescan、Micrion、Advantest、斯伦贝谢、AMAT、Micro Beam等。
在此仅简要提及这一领域的一些重要进展,这些均有专利文献记录。1972年,Kollsman Instrument Company的Cohne和Tarasevich获得了一项"使用正离子束进行表面控制腐蚀的装置"的专利。尽管他们的工作并非基于液金属离子源,但其描述足以指向任何带正电的原子种类。该系统包括一个用于中和正电荷的电子束,以及一个干涉仪来监测腐蚀的进展。
Cohne, M. F., and M. Tarasevich. Apparatus using a beam of positive ions for controlled erosion of surfaces. US patent 3,699,334 (1972)
明尼苏达矿业与制造公司（3M）的Rusch和Sievers于1975年申请了一项"带电粒子束装置"专利，并于1976年获得了专利。这项专利包括了聚焦离子在扫描FIB配置中的使用。3M在生产表面分析设备方面的业务也包括了这一点，其系统使用电静透镜并包括一个ExB 质谱过滤器，离子源是早期版本的液态金属离子源（LMIS）。
Rusch, T. W., and J. Sievers. Charged particle beam apparatus. US Patent 3937958 (1976)
FIB 通过铣削局部去除材料以制造具有微米和亚微米分辨率的各种 3D 结构的能力,在多个涉及电子学、光电子学和光子学的专利中得到了认可和探索。俄勒冈研究生中心的Puretz等提议使用离子铣削形成光学表面,例如在材料体内制造基于半导体激光的设备。Galileo Electro-Optics 公司的Horton和Tasker 提出了在制造电子倍增器或微通道板中使用离子束。日立公司的Ito等提出了处理旋转工件以生产复杂形状微型物体的方法。
Horton, J. R., and W. G. Tasker. Microchannel electron multipliers and method of manufacture. EP patent 0 413 481, A2 (1991)
1986 年,霍加斯航空公司 (Hughes Aircraft Company) 的 Ward 等人获得了一项专利,涉及一种FIB镜筒,其中包含ExB过滤器,并提供最高可达150keV的FIB。高束能与 ExB 质谱过滤器相结合,旨在使该系统可用作局部掺杂系统,特别适用于化合物半导体器件的制造。
在 1980 年代后半期，开始了对 FIB 诱导的刻蚀和沉积的深入研究，分辨率达到亚微米。Tao和Melngailis（来自麻省理工学院）提出了将铣削和沉积结合使用（即“铣填”方法）用于电子芯片显微“手术”（缺陷校正）或掩模修复 。
Melngailis, J. Focused ion beam induced deposition: A review. Proc. SPIE 1465 (1991):
第一代 FEI 离子光学镜筒是基于玻璃棒的，类似于特克龙公司（Tektronics）生产的用于示波器的玻璃棒电子光学系统，后者也在俄勒冈州波特兰附近有开发和生产设施。FEI 是一家小公司，最初以供应 LaB6 和场发射电子枪给电子显微镜制造商和用户而闻名。公司当时只有少量员工，位于俄勒冈州希尔斯伯勒的俄勒冈研究生中心的一个小空间内，Jon Orlof 和 Lyn Swanson 担任教职。它最初的系统主要由半导体行业（英特尔就在附近）以及一些学术人士购买和使用。在 1980 年代初，FEI 和 JEOL与英特尔合作，为配备电压对比光谱仪（用于测量内部金属线路上的电压波形）的 JEOL SEM 增加了一个 FEI FIB。该 FIB 被用于在感兴趣的区域局部去除器件的钝化层。当时JEOL的技术人员是 Phil Russell。
Puretz, J., J. Orloff, and L. Swanson. Application of focused ion beams to electron beam testing of integrated circuits. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering 471 (1984)
Orsay Physics（法国）于 1989 年由 Pierre Sudraud 和来自巴黎—索尔奈大学的其他研究人员和工程师创立。他们的第一款商业FIB系统于1990年适配于JEOL SEM，并被称为CrossBeam，因为FIB和电子束共享同一真空室、样品室和具有共同焦点的样品台。它们还开发了与超高真空洁净室兼容的系统。Orsay 建造并提供适合于多种系统的 FIB 镜筒和电子设备，例如现有的 SEM、原位制造系统如分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）等。Orsay Physics 持有多项关于FIB和电子束系统的专利。他们的 FIB镜筒例如应用于蔡司 Cross Beam 平台。Orsay Physics 继续开发适用于FIB增强的硬件，并且非常常见地参与用户开发系统。
Nanofabrication using focused ion and electron beams: principles and applications[M]. Oxford University Press, 2012.
Micrion 成立于马萨诸塞州皮博迪，主要开发50 kV FIB 系统，主要用于半导体行业的光刻掩模修复应用。Nicholas Economou在Micrion担任过多个职务，包括总裁、首席执行官和董事会成员。Micrion设计、制造并营销FIB（FIB）工作站，包括用于半导体掩模修复的 FIB 仪器。该FIB 制造商约有200名员工。FEI和Micrion于1999 年合并了其运营，创建了全球 FIB 系统的主导供应商。合并后的公司保留了FEI的公司名称。FEI 随后与飞利浦电子光学合并，保留了 FEI 的名称。FEI的大股东是飞利浦商业电子设备，这是皇家飞利浦电子的全资子公司。在2016年,美国科学仪器制造商赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)以43.6亿美元的价格收购了FEI公司。
截至目前，FEI总部（赛默飞）位于俄勒冈州希尔斯伯勒，在美国（俄勒冈州希尔斯伯勒和马萨诸塞州皮博迪 [原Micrion设施]）、荷兰埃因霍温（飞利浦电子光学设施）和捷克布尔诺设有制造设施，并在全球提供销售和服务支持。
在最近的新发展中，我们还应提到JEOL最近推出了一种高电压（100 keV）FIB 系统，配备可选择的三元合金源（如Au/Si/Be）及集成质量过滤器，以便进行离子选择。这使得FIB能够作为局部离子注入系统集成到III-V半导体研究或开发线中。
商业FIB发展的时间轴
Notte J. Focused Ion Beams for Imaging, Analysis, and Fabrication-Where Did They Come From and Where Are They Going?[J]. Microscopy and Microanalysis, 2017,
总之，离子束源设计和技术的历史大约已有半个多世纪（自1960年代第一次进行离子簇推进实验以来），而FIB的实验始于1970年代。FIB在集成电路处理和掩模修复中具有亚微米分辨率应用的高潜力，对于机器的快速发展至关重要。目前，随着现代LMIS 源、离子柱设计的分辨率持续提高，以及在双束机器中离子束与电子束的结合，FIB的应用领域已大幅扩展，成为纳米技术的主要领域之一。
来源于老千和他的朋友们，作者孙千
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