离子光学在聚焦离子束技术中的应用与挑战

高亮度离子源的突破

在当代科学研究和制造业中，聚焦离子束（FIB）技术正变得越来越关键，特别是在半导体制造行业中。这一技术的进展主要归功于20世纪80年代在开发高亮度离子源方面的重大进展。

要获得高效的FIB，关键在于能够在小于1微米的探针直径范围内产生10到5000皮安的离子流，这要求束流密度至少要达到1安/平方厘米。尽管与场发射电子源相比，这一束流密度目标并不算太高，但对于离子源而言，它已经构成了一个相当严苛的性能指标。在液态金属离子源技术变得成熟之前，传统的等离子体源在亚微米级别的探针直径下仅能产生极少数的皮安级别的离子流，这远远达不到工业应用的要求。

液态金属离子源的重要性

液态金属离子源（LMIS）的出现，为聚焦离子束系统提供了高亮度的离子源，其重要性相当于场发射电子源对于扫描电子显微镜和电子束曝光系统的贡献。液态金属离子源能够产生高束流密度的离子探针，这对于微米级微加工技术的发展、扫描离子显微镜和高分辨率二次离子质谱仪的实现具有直接的推动作用。

液态金属离子源（Bar＝1mm）（a）无液态金属供应时（b）有液态金属供应时

离子光学聚焦系统的挑战

离子源之外，离子光学聚焦系统的研究也是聚焦离子束技术中的一个重要课题。由于离子的质荷比较电子大得多，传统的电子光学设计不再适用。因此，必须采用静电聚焦系统来取代磁聚焦系统，以组成离子光学柱体。

然而，静电透镜的像差系数，尤其是球差和色差，远高于磁透镜。此外，为了获得化学上纯净的离子源，还需要在离子光学柱体中加入粒子质量分析器，这无疑增加了设计的复杂性。

液态金属离子源的工作原理与特性

液态金属离子源的工作原理可以追溯到对带电液体喷嘴性质的研究。1964年，泰勒基于喷嘴液体的表面张力和外加静电力的平衡，计算出稳定的喷嘴结构应为半锥角为49.3°的锥体，即泰勒锥。后续的研究表明，从带电的液态金属微液滴上可以发射出电子或离子，这取决于所加外场的极性。液态金属离子源发射离子的主要机制是场蒸发，这是一种越过由于外场而降低的离子势垒的热激活过程。

液态金属离子源的发射特性具有多个特点：首先，作为点源，它具有较小的虚源直径，尽管比场发射电子源大5至10倍。其次，角电流强度与总发射电流和引出极电压成正比，对于常用的Ga、Al、In等源，角电流强度的阈值近似为20μA/Sr。此外，液态金属离子源的能量分散较大，能量分布的FWHM通常大于5eV。液态金属离子源的伏安特性显示，存在一个最低的阈值电流，且I～V曲线非常陡。最后，液态金属离子源具有低的束流起伏和良好的聚焦限制，这对于获得高分辨率图像至关重要。

FIB离子光学柱体的设计与优化

在FIB离子光学柱体方面，由于离子的荷质比远大于电子，磁透镜对离子的聚焦能力远小于对电子的聚焦能力。因此，FIB的聚焦单元只能是静电透镜。这带来了离子光学柱体质量的下降，以及对精密机械加工和超高真空技术要求的提高。整个FIB的光学柱体包括液态金属离子源、离子枪透镜、消像散器、偏转对中系统、物镜以及二次电子和二次离子探测器。在某些系统中还包括质量分析器和二次离子质谱分析器。为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

一种带有质量过滤和质谱分析的 FIB 系统

聚焦离子束技术涉及的领域

聚焦离子束技术的发展涉及多个方面，包括液态金属离子源的特性、离子光学柱体的设计以及空间电荷效应的影响。这些因素共同决定了聚焦离子束的性能，对于实现高精度的微加工和分析至关重要。尽管存在挑战，但随着技术的不断进步，聚焦离子束技术在科研和工业领域的应用前景广阔。未来的研究将继续探索如何提高离子源的亮度和稳定性，优化离子光学设计，以及减少空间电荷效应的影响，从而推动聚焦离子束技术向更高的精度和更广泛的应用领域发展。