对聚焦离子束溅射技术在微米/纳米制造中的应用进行了总结，并对微米/纳米结构材料溅射方法进行了探讨
物理量:
J0=电流强度峰值（位于粒子束的中心）；K1，K2=不同晶体结构的材料因数以及其他的独立属性；α=能量传递系数；φ=离子流量；η=目标原子密度；σ=标准差；δ=像素间距（单位：纳米）；φ（x，y）=（x，y）点处的离子流量；εb=原子键能；∆Zij=点（x，y）处的溅射深度；a=累积强度变量剖面的峰谷值；A=孔径尺寸（纳米）；B=粒子束功能；d=离子量；fx，y=二维高斯光束的能量密度；I=离子束流量总量；J（x，y）=点（x，y）处的离子流强度；M=材料功能常数；mi，mt=入射离子的质量以及目标粒子的质量；MRR=材料移除率；R=溅射面厚度；r=FIB半径（纳米）；Ra，Rmax=表面粗糙度的平均值及最大值（谷峰值）；S（θ）=溅射角；TC=溅射时间；Td=保延时间；tx，y=点（x，y）处的离子溅射保延时间；U0=原子键能；V=增速电压；Y（E）=普通溅射产量；z=溅射深度；Zi，Zt=源原子的核电荷数和目标原子的核电荷数
1.介绍
聚焦离子束系统（FIB-focused ion beam）商业化制造已经接近30年。起初主要是为大型半导体制造商提供服务。聚焦离子束FIB是利用镓离子以较高空间分辨率对材料进行切割和去除。这允许在试样的特殊部位作出剖面（断面）。试样可在FIB上直接研究或转入扫描电镜或透射电镜下精细分析。镓离子与某种气体相互作用时还具有沉积材料的潜力。所以,FIB可以应用于非常广泛范围内的多功能工具。
FIB系统的操作除了不用电子束以外和扫描电镜工作方式非常相似。大多数FIB系统装备液态金属离子源（LMIS），加热的同时伴随一定的拔出电压，获得镓离子束。由一组电子透镜细聚焦镓离子束在束偏转线圈作用下构成扫描光栅。离子束能量分散在5ev左右，为减小像差在离子束光轴上设光阑，为消除象散采用八级线圈做消象散器。若为合金离子源则由质量选择器对离子进行选择。离子束在材料的FIB表面成像中可用溅射的方法去除样品的部分、部分沉积或沉积。
聚焦离子束（FIB）广泛应用于显微机械加工中，微电子中的应用如集成电路的分析和修改以及磁头的修剪，FIB的应用可以成功地扩展到其他领域并取得成果，用于扫描电镜（SEM）成像技术，也可以用于其他分析设备，如:隧道电子显微镜（TEM），二次离子质谱（SIMS）等。聚焦离子束显微镜（Focused Ion beam，FIB）系统是利用电子透镜将离子束聚集成非常小尺寸的显微精细切割仪器，目前商用系统的离子束多为液体金属离子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），金属材质为镓，因为镓元素具有低熔点、低蒸汽压，及良好的抗氧化能力。
聚焦离子束显微境的基本功能可分为四种，即：
1. 精细切割，利用粒子的物理碰撞来达到切割的目的；
2. 选择性材料蒸镀是利用离子束能量将有机金属蒸汽或者气相绝缘材料分解，作为导体或者非导体沉积于局部区域，既可以进行金属沉积也可以进行氧化层沉积，普通金属沉积包括铂、钨等；
3. 增强刻蚀或选择性刻蚀，辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除；
4. 刻蚀终点检测，检测二次离子的信号，以此了解切割或刻蚀的进行状况。
聚焦离子束显微境在IC工业上的应用，主要分为五大类：
1. 线路修改和布局验证；
2. 元器件失效分析；
3. 生产线工艺异常分析；
4. IC工艺监控一例如光刻胶的切割；
5. 透射电子显微镜样片制作。
液态金属离子源（LMIS）使得FIB可以在FIB显微机械加工领域中得到较小直径的FIB溅射技术是无掩膜精密加工中的一项新技术。入射离子冲击衬底然后以阶梯碰撞形式释放出粒子，这两种溅射都是干蚀刻/溅射以及气体辅助蚀刻（GAE）,GAE是一种非常复杂的现象，由于物质的去除依赖于气体发生化学反应，活泼离子发生物理变化，气体变化与活泼离子综合影响。
干溅射对于FIB显微机械加工显得越来越重要主要是因为他在微米/纳米领域的广泛应用。
对于FIB的主要的研究课题是计算溅射参数以便达到特定的几何形状和表面光洁度。
随着数学模型研究的深入,FIB溅射工艺在精密加工中变得愈加重要。在实际应用中几乎可以溅射到任何物质，自然可以通过FIB在5~10nm工艺尺寸上直观显示。FIB溅射的材料移除率比化学气相沉积更高，而FIB溅射具有更小的尺寸。
FIB在精密加工方面的应用领域以及其与LIGA的（平版印刷、电镀、模具）竞争进行了讨论。最后，给出了LIGA-similar过程和微小组成部分的大规模生产。
2.FIB的基本原理
高能离子被静电电压转移到衬底，离子流沿着狭长的圆筒型隧道移动。
稳压电源将发射源物质稍加热以维持发射源的流动性。
离子化过程中液态金属原子具有丢失电子进而转变为阳离子的趋势。带电后，离子可以加速，聚集或者受电场的调控。
他们更高质量可以引起溅射效应。加速电压使接地点的离子速度加快，加速电压越高，离子运动的速度也就越大。
1、仪器
基本的单波束仪器由液态金属离子源、一个离子柱、样品载台、真空腔组成。
典型离子束显微镜主要由液态金属离子源和离子引出极，预聚焦极，聚焦极使用高压电源，电对中，消像散电子透镜，扫描线圈等组成、二次粒子检测器，活动样品基座，真空系统，抗振动及磁场设备，电路控制板，电脑等硬件设备。
2、离子束剖面与直径
对于离子束剖面以及离子强度分布的分析是一个基本的条件。
离子束剖面一般认为在圆截面内呈高斯分布。离子强度分布为高斯分布远程拖延，且符合下列方程:
其中，I=离子束总强度，，J（x，y）=点（x，y）处的离子流量密度。
3、溅射原理
FIB可以用于直接和无掩模的图案衬底制作上。衬底的材料可以是硅、钨、钢或者任何其他的晶体材料。被质子轰击和被溅射的离子分别称作初级和次级离子。逐行扫描时离子束停在一个特定点处，持续一定时间后再移到下一像素点。两像素点间的距离称为“像素距离”.当行内所有的位点全部扫描完后，离子束就会向下一行运动。在对整个溅射区域进行扫描后，离子束会重新启动扫描，直至其使用完提供离子剂量。在液态金属离子源中施加电场，可以在液态镓中产生微小的尖端，加上负电场对尖端镓的牵引作用，同时输出镓离子束。通常工作电压时尖端电流密度为10-SMem左右：用电透镜对焦并通过可变孔径光阑确定离子束尺寸，然后进行二次聚焦，用极小束斑轰击试样表面，通过物理碰撞实现切割，离子束到试样表面束斑直径可达7纳米。表面逸散出来的各类粒子源于不同物理过程并携带着大量表面信息。
比较重要的有以下几种：
- 散射离子，在表面或表层弹性散射或非弹性散射的入射离子，它们的能量分布和角分布反映了表面原子的信息；
- 二次离子，从表面溅射出的离子中，有一部分是以正负离子的形式出现的，它们来自固体表面，对它们的能量和质量进行分析，可以直接得到表面组分的信息；
- 二次电子，所发电子可从表面或相对较深的表面。若入射离子在表面上被中和后，就可以产生电子发射现象，但是当表面下一层为固体原子被激发或者电离后，还会释放出电子，它们均携带着表面信息；
- x射线及光发射，可能来自表面及表层，各种退激发及离子中性化过程都可以导致光发射，离子诱导产生的光发射常常带有表面化学成分及化学态的信息。
样品表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是离子束显微镜影像的来源。影像的解析度决定于离子束的大小，离子束的加速电压，二次粒子讯号的强度，试片接地的状况以及仪器抗振动和磁场的状况。在纯物理溅射时，由于溅射出来的物质通常不会挥发，易造成重淀积现象，从而使刻蚀效率下降，重淀积程度正比于坑深及溅射出来离子数，也就是正比于溅射刻蚀离了束流尺寸。引入气体注入系统，能克服以上不足。刻蚀时，向试样表面刻蚀区域喷射反应气体。高能离子束诱生吸附在样品表面的气体与刻蚀区样品进行化学反应，产生的挥发性反应产物由真空泉抽走，这就是“增强刻蚀”。它不仅有效地防止了重淀积，提高了溅射速率，且具有相同的刻蚀形状和精确度，而且对不同样品材料有很好的选择性，即在同样的刻蚀条件下。由于不同材料与反应气体的化学活性不同而使刻蚀速率明显不同，从而大大降低了对刻蚀终点控制的要求。
3.FIB溅射模型
尽管FIB溅射能制备高精确度的微元件，控制溅射深度是相当困难的。如果衬底的材料既不是集成电路，也不是晶圆，那么SIMS（二次离子质谱技术）能以20nm的精确度探测并鉴定出过渡层。然而，对单一成分的物质，不能采用SIMS技术。这使得末端点检测在FIB溅射中变得非常困难。表面粗糙度估计是FIB溅射微加工的又一关键问题。下面几部分讨论了几种模型是怎样实现预期溅射深度，几何完整性和表面抛光处理的。
1、离子束与样品相互作用
非弹性作用：电子能量损失，离子化。
弹性作用：原子核能量的损耗、离子能量向试样中原子的直接传递、试样原子在试样表面的溅射、离子束的反射、背散射、替代试样原子、离子注入等。
- 离子反射或者背散射
- 电子发射
- 电磁辐射
- 原子溅射和离子发射
- 固体样品损伤
- 固体样品发热
2、离子束的溅射作用
由于离子束的溅射作用，FIB能用于局部的去处或者研磨掉材料。
随离子束入射角度的增大，离子束作用在样品上的每一次碰撞流中溅射出来的原子个数也随之增多。（与ISE产额对表面几何形貌的影响相近）。但与此同时，离子反射或背散射的成分却越来越大。这两种合并效应使得入射角度近75-80°的溅射产额最大。这个效应由Ga离子在25-30kev能量射入到各种各样的材料上证明的，包括单晶硅，非晶体二氧化硅，多晶Au和W，显示理论和试验之间很好的一致性。硅或者非晶体硅对于这个研究是理想的，因为避免晶体通道效应（非晶硅的表面区域在镓离子束下）。在入射角度和通道效应同时存在条件下，晶体材料的反应更加复杂。
在给定入射角度的溅射产额随有多种因素变化，通道的晶体取向。容易的通道取向，离子只经历非弹性作用，与躺在晶面里样品原子掠射角碰撞，在引起弹性散射前，深入晶体内部，因此只有少数原子从表面被溅射。就像晶体取向效应在低能电子产额中所起的作用一样。垂直晶界上溅射通道效应等。溅射剖面图的绘制也依赖于扫描试样表面光栅的取向与顺序。如环形之溅射轮廓由快速且反复扫描切割而有别于慢扫描之逐点切割。
再沉积减少了溅射产额的效果，改变溅射轮廓。产额的降低发生原因再沉积的材料在溅射的区域重新着陆，必需再一次溅射。再沉积还给出了边墙完全竖直而不过度倾斜试样时，无法用FIB剪断的理由。当然，这在一定程度上是由于离子束剖面中尾矿密度减小，入射角度减小所致。很多再沉积效应细节都保持公开，如晶体曲线、通道效应等。
除了再沉积，在溅射过程中，表面粗糙度和阴影效应是普遍存在的。
4.FIB溅射技术的应用
自从FIB溅射技术用于材料的移除之后，这项技术又被用于微工程学之下的各个领域：昂贵的X射线防护面具、对于生物学和药剂制品的研究等等。
这些都是FIB的新应用之一：SIMS技术、TEM样品制备、高长径比显微结构、以及若干种其他的微米/纳米结构的制备。这些部件外形轮廓范围大体在亚微米到几百微米之间。制成的微腔是用来制作聚合物微组件的，它们一般用在微光刻和电铸工艺中。
5.结论
本文介绍聚焦离子束显微镜基本功能和工作原理，并对影响离子束显微镜成像原理进行分析。聚焦离子束系统也可以用于芯片局部剖面制样与观测，它是VLSI失效分析与失效机理研究中的一个重要工具。
借助于刻蚀气体和薄膜沉积气体，聚焦离子束系统可用于UI5I/VLSI芯片上互连线的修改，进行设计纠错，是研制ULSI/VLSI芯片的重要工具，避免多次流片所造成的时间和金钱的巨大消耗。
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