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FIB测试在材料测试中存在的重要缺陷以及改善方法

来源：测试GO 时间：2022-09-15 17:15:27 浏览：2626次

FIB（聚焦离子束，Focused Ion beam)是将离子源(常用Ga，也有 He和Ne离子源)产生的离子束经过离子枪加速聚焦后作用于样品表面。通过产生二次电子信号取得电子像，这与扫描电子显微镜（SEM）相似；另外通过强电流离子束轰击样品表面，利用物理碰撞对微、纳米级表面形貌加工。也可以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择性的剥除金属，氧化硅层或沉积金属层。刻蚀和切割是聚焦离子束技术最主要的功能。FIB通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，从而按照设定的图案刻蚀出设计的结构。在实际聚焦离子束加工制作微纳米结构时，由于FIB本身的特征及被加工材料的原因，最终加工制作出的结构有时会产生缺陷，这些缺陷主要包括：

1

倾斜侧壁

在聚焦束斑内，离子呈现出高斯分布，越靠近束斑中心，离子相对数量越大。若离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有~4°的锥度。

改善：要想得到与样品表面完全垂直的截面，通常采用将样品人为倾斜特定的角度的方式，来补偿截面和离子束入射角度间的误差。（也可采用侧向入射的方式，采用定义刻蚀图案，调节截面和表面之间的夹角，灵活地加工出形状更加复杂的三维微纳米结构。）

2

窗帘结构

聚焦于离子束的样品截面中，还有一项必须注意的特殊情况就是截面的平整度，有时会在断面上产生竖直线条，被称之为窗帘结构。窗帘结构的产生主要和聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁有关，同时若样品表面形貌起伏或者成分不同，会引起表面刻蚀速度不同，从而产生窗帘结构。

改善：针对产品表面形貌起伏产生的特殊窗帘结构，方法一般是在样品表面FIB进行化学气相沉积形成一层保护膜，使表面更加平滑；也可通过调整离子束的入射角度，在没有起伏的表面进行分割，从而避免其干扰。针对成分不同而引起的窗帘结构，可采用摇摆切割的方法，使离子束在多个角度入射进行消除。

3

非均匀刻蚀

聚焦离子束通常能够直接且迅速地加工制作成微纳米平面形状结构，而针对非晶体材料或单质单晶材料，通过FIB刻蚀技术通常能够获得十分均匀的轮廓形状和底面结构，而针对多晶体材料和多元化合物材料，则因为不同颗粒的取向差异，刻蚀速度在各个颗粒区域有所不同，通常会呈现非均匀刻蚀，底面并不平整。

改善：对于多晶材料出现加工缺陷，可增加扫描每点的停留时间进行改善；增大离子束在每点的停留时间，再沉积（聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子落回样品表面，该过程称为再沉积。）的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。

随着纳米科技的发展与应用，纳米加工成为纳米制造业的核心部分，而纳米加工的代表性方法就是近年来发展起来的聚焦离子束技术（FIB）。利用电透镜将离子束聚焦成小尺寸离子束，轰击样品表面，实现材料的剥离、沉积、注入、切割和改性。通过分析研究聚焦离子束加工过程中可能出现的缺陷，以及改进方法，使得聚焦离子束能在纳米加工领域得到更广阔的应用。

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