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諾貝爾獎(jiǎng)技術(shù)加持!激光冷卻技術(shù)助力FIB新革命!

來源:QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司   2024年11月15日 10:00  

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,基于氦(He+)和鋰(Li+)等輕元素的離子源技術(shù)相繼被開發(fā),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(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?;谏鲜鰞?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^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)Yrel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Yrel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)。


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