捷克布尔诺科技大学，聚焦离子束（FIB）的技术史与商业演化

半导体工程师 2024年10月12日 09:26 北京

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,休斯研究实验室的和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。

, R. L., and W. P. . ion beams in . J. Appl. Phys. 45 (1974):

与此同时,俄勒冈州研究中心的和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。

, J., and L. W. . Study of a field- for . J. Sci. . 12 (1975): 1209.

另一种基于液态金属(LMIS或 metal ion )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,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 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。

, John. The from , and a of the at their . 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. metal for heavy . in and 5. New York: , 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. of ions and . J. Appl. Phys. 45 (1974)

同期,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。

, R., K. L. , and D. K. . : field- ion souce of . J. Sci. . 12 (1975)

1979年,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。

, R. L., J. W. Ward, V. Wang, and R. L. . A high- ion probe with spot size. Appl. Phys. Lett. 34 (1979)

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,也称为锥(或-锥)。同样的锥概念也用于聚合物材料的电纺丝。

, G. I. of water drops in an field. Proc. R. Soc. Lond. A 280.1382 (July 1964)

, G. I. 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,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. . A mass- -ion-beam for ion . J. Sci. . 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,允许在系统(JIBL 100型号)中选择性掺杂。AT&T贝尔实验室的L. 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。

, L. R., H. , R. A. Hamm, J. , and M. B. . A ion beam with gas beam . J. Vac. Sci. . B 7 (1989)

1985年,离子光学理论的进步使和能够设计出使用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。

, J. and P. . of a 100 kV, high ion beam with a metal ion . . 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、Mair、、Levi-Setti、Gamo、、Namba等人。

2 FIB的应用

1987 年,J. 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。

, J. ion beam and . J. Sci. . 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。

3FIB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-、日立、精工、卡尔·蔡司、Raith、、、、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, 的Cohne和获得了一项”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. . using a beam of ions for of . US 3,699,334 (1972)

明尼苏达矿业与制造公司（3M）的Rusch和于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. . beam . US (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。 – 公司的和 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。

, J. R., and W. G. . and of . EP 0 413 481, A2 (1991)

1986 年,霍加斯航空公司 ( ) 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（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 。

, J. ion beam : A . Proc. SPIE 1465 (1991):

第一代 FEI 离子光学镜筒是基于玻璃棒的捷克布尔诺科技大学，类似于特克龙公司（）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 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 。

, J., J. , and L. . of ion beams to beam of . of SPIE – The for 471 (1984)

Orsay （法国）于 1989 年由 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，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 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 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。

using ion and beams: and [M]. Press, 2012.

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。 在担任过多个职务，包括总裁、首席执行官和董事会成员。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和于1999 年合并了其运营捷克布尔诺科技大学，聚焦离子束（FIB）的技术史与商业演化，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( )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 系统博士后，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. Ion Beams for , , and -Where Did They Come From and Where Are They Going?[J]. and , 2017,

总之硕士，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在职研究生，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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捷克布尔诺科技大学，我院师生参加IEEE NEMS 2021国际会议

第16届微纳工程与分子系统国际研讨会（ IEEE on Nano/Micro & ， 2021）于4月25日至29日在厦门大学科学艺术中心隆重举行，旨在促进M/NEMS、纳米技术和分子技术等前沿领域的交流合作。本次会议邀请了中国科学院院士、厦门大学工学部主任田中群教授担任大会荣誉主席，北京大学张海霞教授、厦门大学孙道恒教授担任共同主席。会议邀请了3位诺奖获得者、10位院士、30余位杰青和100多名优秀的青年科学家以及500余位国内外学者硕士，共同交流最新学术成果捷克布尔诺科技大学，我院师生参加IEEE NEMS 2021国际会议博士，畅谈未来发展。

我院安徽省MEMS工程技术研究中心青年教师冯建国以“ Chip Based On Flows”为题作大会报告，讲述了惯性微流控技术及其在微粒和细胞聚焦方面的应用。论文提出了一种基于增强型二次流的惯性聚焦微流控芯片，实现了对荧光微球和生物细胞的高效聚焦，该芯片有望应用于高灵敏度的细胞探测和分析以及即时诊断产品中。经过激烈的角逐，该成果最终获得了IEEE NEMS 2021最佳会议论文提名奖（6/530）。论文得到了国家重点研发计划项目、安徽省重点研发计划项目和安徽高校协同创新项目的支持。课题组硕士研究生杨朝晖和王琪参加本次学术会议。

冯建国老师本硕博均毕业于西北工业大学，在空天微纳系统教育部重点实验室从事科研工作捷克布尔诺科技大学，师从常洪龙教授和Pavel 教授，博士期间在捷克布尔诺科技大学中欧科技研究院进行学术交流。2020年11月加入合肥工业大学微电子学院许高斌教授团队，主要从事微流控技术和生物微机电系统技术等方面的研究工作，在：， and ：，in博士后， and 等期刊上发表8篇论文。

（冯建国/文/图许高斌/审核）

乌克兰捷尔诺波尔国立师范大学博士，纳米搜索，新一代智能答案引擎

一、“一带一路”倡议的内涵与影响 “一带一路”倡议旨在加强沿线国家之间的经济合作、文化交流和互联互通。通过基础设施建设、贸易往来、人文交流等多方面的合作，促进沿线各国的共同发展。这一倡议推动了各国之间的资源共享、优势互补，增进了不同国家和地区人民之间的相互了解与信任，在全球范围内构建起广泛的合作伙伴关系，在贸易、文化、教育等多个领域都有着深远的影响。 二、乌克兰教育体系的特点 1. 教育资源丰富 – 乌克兰虽然人口仅5000万，但高等院校多达1037所，接受来自全世界100多个国家的留学生。在火箭、航空、地质、矿业、核能、船舶制造、建筑、生物医学新工艺、医药学、分子物理、计算机软件、光学和电子仪器加工等领域的教学、科研都具有非常高的水平。同时，其音乐、美术、芭蕾等艺术专业也处于世界领先地位。 2. 沿袭前苏联教育模式且接轨欧洲 – 乌克兰沿袭了前苏联的良好教育模式，又学习欧洲名校的经验，现在教育提倡向欧洲接轨。例如基辅大学是欧洲排名前十的名校，还有哈尔科夫国立大学、第聂伯国立大学等知名国立大学，回国后被国内教育部承认，享受所有留学生回国待遇。 3. 学科教学质量高 – 乌克兰学校的很多学科教学质量水平很高，知名度也高，医科学校很有名。

众多大学在世界上享有良好声誉，并且有多所大学具有100多年甚至200年的历史，如乌克兰国立基辅大学、乌克兰捷尔诺波尔国立师范大学等4()。 4. 入学门槛相对较低 – 招生范围广，凡是持有国内高中以上毕业证书、身体健康、年龄在16 – 35岁者，均可免试进入乌克兰国立大学攻读相应的学士、硕士和博士学位。对于艺术类学生，满12周岁即可申请本科学习。申请本科要求在国内接受过12年或以上教育在职研究生，且需在乌克兰学校的预科学习1年并考试通过；申请研究生要求具有所学相关专业的学士学位，无语言基础的话要在预科学习1年且考试通过3()。 5. 语言预科设置 – 学校为无语言基础的学生设置了预科系，有专门的乌克兰语、俄语、英语预科，方便国际学生适应学习环境。 三、“一带一路”给乌克兰留学带来的机遇 1. 政策支持与合作 – 在“一带一路”倡议下，中国与乌克兰的双边关系更加紧密，两国在教育交流方面的合作进一步加强。双方先后签署了互派留学生、相互承认学历等一系列合作协议，为中国学生赴乌克兰留学提供了政策保障和更多机会。 2. 文化交流与理解增进 – 随着“一带一路”倡议推动的文化交流博士后，中国学生对乌克兰文化有了更多的了解，也让乌克兰对中国文化更加熟悉，这有助于中国留学生在乌克兰更好地适应生活和学习环境，减少文化冲突。

3. 国际视野拓展与职业发展 – 留学乌克兰的学生有机会接触到不同国家的学生和文化，拓宽国际视野。同时，由于乌克兰的大学被欧美各国承认，对于那些想以后去欧美一些国家留学但前期费用不足的学生来说，在乌克兰毕业以后可以申请其他欧洲国家继续深造，为未来的职业发展提供更多可能性。并且随着中国与乌克兰在科技、贸易、经济、文化等领域合作的加强，既懂俄语又了解两国国情的人才需求增大，乌克兰留学归来的学生就业竞争力增强4()。 四、“一带一路”背景下乌克兰留学可能面临的挑战 1. 局势不稳定影响 – 乌克兰面临战争等不稳定因素，尽管部分学校可以在线留学，但局势的不稳定仍可能给留学生的学习和生活带来不确定性乌克兰捷尔诺波尔国立师范大学博士，例如网络通讯可能受到影响、校园设施可能遭受破坏等。 2. 语言障碍 – 虽然有预科学习语言，但乌克兰语和俄语相对较难掌握，如果学生在预科阶段未能很好地掌握语言，在后续的专业学习中可能会遇到困难，例如听课、阅读专业书籍和完成作业等方面。 3. 奖学金获取难 – 乌克兰很多大学本身学费较低，所以不提供奖学金，这对于一些经济条件不好且需要奖学金支持的学生来说，经济压力较大。 五、乌克兰留学的热门专业 1. 艺术类专业 – 乌克兰的艺术类院校在欧洲非常著名，如柴可夫斯基音乐学院、卡尔宾科.卡里戏剧学院，其艺术氛围浓厚，艺术积淀深厚，群众基础扎实。

对于艺术生来说，留学性价比非常高，学费比欧洲其他艺术类院校便宜很多。 2. 医学类专业 – 乌克兰的医科学校很有名，其在医学领域的教学和科研水平较高，吸引了很多对医学专业感兴趣的学生前往学习。不过医学类和艺术类专业学费相对其他专业稍贵一些。 3. 理工类专业 – 在火箭、航空、地质、矿业、核能、船舶制造、建筑、生物医学新工艺、医药学、分子物理、计算机软件、光学和电子仪器加工等领域的教学、科研水平很高，相关专业也受到部分学生的青睐。 六、在乌克兰留学的生活方面情况 1. 费用低廉 – 赴乌克兰留学的学费和生活费相对较低，本科大部分专业一年学费一万左右，硕士大部分专业学费一年一万五到两万（医学类和艺术类稍贵），当地物价较低，总花费一年五万元就足够了，年总费用仅为欧美等国的十几分之一乌克兰捷尔诺波尔国立师范大学博士，纳米搜索，新一代智能答案引擎，甚至几十分之一，相当于就读于中国大学的费用。并且进入大学后，享受本国大学生所有免费和优惠待遇，宿舍条件一流，设备完善，全天供应热水，免费使用天然气、电和供暖服务，还有浴室、厨房。 2. 医疗保险较好 – 乌克兰的医疗保险制度比国内好，每年留学生办理医疗保险卡后硕士，看病、吃药、住院均不花钱。 3. 宿舍条件优越 – 学校的宿舍有保安24小时值勤，出入都要求出示证件，安全有保障，并且室内温度一般在20摄氏度以上，温暖舒适，相比我国大学的学生宿舍条件要优越得多。