CN105668514B - 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法 - Google Patents

一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105668514B
CN105668514B CN201610046845.3A CN201610046845A CN105668514B CN 105668514 B CN105668514 B CN 105668514B CN 201610046845 A CN201610046845 A CN 201610046845A CN 105668514 B CN105668514 B CN 105668514B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion
dimensional
fib
current density
sem
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610046845.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105668514A (zh
Inventor
李文萍
王荣明
崔益民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201610046845.3A priority Critical patent/CN105668514B/zh
Publication of CN105668514A publication Critical patent/CN105668514A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105668514B publication Critical patent/CN105668514B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0085—Testing nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

本发明公开了一种聚焦离子束‑电子束双束融合可控微纳加工的方法，通过综合考虑实际系统的像差以及空间电荷效应分别获得离子束和电子束三维束流密度分布，并依据系统的空间布局将双束融合成同步粒子束，获得高精度的双束融合可控微纳加工。首先，获取源、透镜、偏转器和样品等参数，计算透镜和偏转器的二维场、三维场和电气参数；然后，在给定初始条件下求解牛顿‑洛仑兹方程组得到包括像差和离子(电子)库仑力效应的离子(电子)束三维束流密度分布；最后，考虑双束系统装配结构，逆时针旋转离子束，在库仑力作用下融合离子束和电子束，实现双束同步可控加工；优点在于，电子束对离子束束流密度分布的控制，提高了加工的精度和质量。

Description

一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法
技术领域
本发明属于高能束纳米原位加工及其实时监控领域，具体涉及一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法；
背景技术
离子束技术是与半导体工艺最兼容的技术，因此在半导体集成电路制造业中，离子束技术已深入到薄膜制作、材料刻蚀、杂质注入、三维结构制作和表面改性诸多方面。其中，聚焦离子束(focused ion beam，简称FIB)由于具有高能粒子高分辨率的特性和元素特性，广泛应用在微纳尺度的离子束刻蚀、离子束沉积、离子注入和离子束材料改性方面。聚焦离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，目前商用FIB系统的离子束是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓(Gallium，Ga)。
扫描电子显微镜(scanning electron microscope，简称SEM)，利用电子束扫描形成二次电子像，是上个世纪四十年代发展起来的一种大型精密电子光学仪器，用来直接观察大块样品的表面形貌，分辨本领高、景深长、图像立体感强。
现有的FIB微纳加工装置包括FIB单束系统、FIB-SEM双束切换系统和FIB-SEM双束同步系统三种。
其中，FIB单束系统的缺点包括：由于离子电荷的积累，样品的材料会受到很大的限制；和电子相比，离子的质量大得多，相同能量和束流下扫描离子成像对样品的损伤非常大，严重影响了离子束加工的质量；另外，扫描离子成像时，产生的二次电子数较少，一般的光电倍增管检测器很难获得足够的二次电子成像，必须采用较为昂贵的微通道板检测器接收才能清晰成像。上述问题的存在，大大限制了FIB单束系统的应用领域。
随后发展起来的FIB-SEM双束切换系统，FIB加工后切换成电子束获得高分辨率SEM，有效地解决了FIB单束系统在观测方面的难题，而且通过电子的中和部分解决了非金属样品电荷积累的问题，广泛应用于半导体微电子行业、三维微纳米加工、材料分析、微机电系统器件制作以及透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，简称TEM)样品制作等。然而，由于电子束和离子束是切换工作的，FIB-SEM双束切换系统不仅无法实现高分辨率SEM成像对FIB加工过程的实时监控和样品电荷积累的实时消除，而且不能实现SEM对FIB加工性能的优化调控。比如FEI公司的QuantaTM3D DualBeamTM和日本JEOL公司的JIB-4500Multi FIB-SEM系统，离子束加工和电子束成像均为交替分开的，无法实时监控加工过程和电荷积累的瞬时消除，很难保证FIB整个加工过程的质量。
充分发挥了离子束和电子束优点的FIB-SEM双束同步系统，不仅能够实现SEM实时监控下的FIB微细加工，而且通过电子的中和提高FIB单束加工精度的同时从本质上解决了样品上电荷积累问题，保证FIB加工过程质量的同时有效提高了FIB加工的成品率，是微纳加工技术发展的重要手段。实时监控FIB加工过程的FIB-SEM双束同步系统，能够提高FIB微纳加工的性能，进而推动纳米科技产业化的进程。然而，FIB-SEM双束同步加工涉及复杂的物理化学过程，包括中和的原子与样品的碰撞过程、未中和的聚焦离子与样品的相互作用过程、电子与样品的相互作用以及相应的能量的交换和损失。加工的性能受很多因素的影响，其中，入射粒子的电荷种类、能量和束斑特性直接决定了FIB-SEM同步加工中加工机理和能量的输入，从而影响到其加工性能和加工质量。FIB-SEM双束同步系统中，参与加工过程的粒子包括离子、电子和原子，和前面的FIB单束系统以及FIB-SEM双束切换系统相比，同步加工粒子和样品的相互作用更为复杂，现有的研究很难获得其加工精度和质量的优化控制。
现有技术中，一部分研究者仅仅关注于样品处入射束中聚焦离子束的参数(速度、质量和FIB束流密度分布等)，忽略了电子束的存在，未能包含FIB-SEM同步加工实际作用的原子和电子，同步粒子束和样品的相互作用局限于离子束的碰撞机理，导致其加工性能严重偏离实际系统。比如，商用设备常用的SRIM(stopping and range ofions in matter)软件，当模拟离子在材料中的分布和作用的动力学现象以及相应的离子能量损失、材料缺陷损伤、声子的产率、离子注入和离子溅射率时，加工过程的变量局限于FIB参数，且将FIB束流密度分布假想成未考虑几何像差以及空间电荷效应的理想情况(比如高斯分布)，指导FIB单束系统和FIB-SEM双束切换系统时尚有一定偏差，很难控制FIB-SEM双束同步系统的的加工过程。
另一部分研究者考虑电子的中和作用建立了入射原子模型，分析了样品表面附近原子的速度以及束流密度分布对样品加工性能的影响，获得了双束同步工作下提高FIB加工精度的优化参数。然而上述研究将同步加工粒子简化为原子，忽略了FIB-SEM系统未中和的离子和电子，加工性能只涉及原子和样品的作用，且入射原子的速度和束流密度分布等初始条件都过于理想化，很难控制双束同步加工过程，提高FIB-SEM双束同步加工的质量。
综上所述，现有FIB-SEM双束同步系统加工方法中，样品入射粒子的种类局限于离子或者原子，同步束和样品相互作用的机理未能体现离子、电子和原子的整体效应，样品表面处粒子的速度和束流密度分布等初始条件过于理想化，很难控制FIB-SEM双束同步加工的精度和质量。
发明内容
现有FIB-SEM双束同步加工中，入射粒子种类不全，入射粒子和样品相互作用的工作机 理缺乏离子、电子和原子的整体效应，且入射粒子束流密度分布未能综合考虑实际系统的几何像差以及空间电荷效应，很难控制FIB-SEM同步加工过程保证加工的质量。基于上述问题，本发明提出了一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，控制双束同步加工过程提高加工的质量。
一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法中，综合考虑实际加工系统的几何像差以及空间电荷效应分别获得FIB和SEM三维束流密度分布后，依据双束系统和样品的空间布局将双束融合成同步粒子束，实现电子束对离子束加工的实时观测和控制，获得高精度的聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工。
具体操作步骤如下：
步骤一、设置FIB束流密度体分布所需的FIB离子光学系统初始参数；
FIB离子光学系统初始参数包括离子源参数、透镜系统参数、偏转器参数和样品的位置参数。
离子源参数包括离子源的位置参数和性能参数，根据FIB-SEM双束同步系统测试获得；
透镜系统参数包括聚光镜和物镜参数，聚光镜参数包括聚光镜的位置参数和结构参数，物镜参数包括物镜的位置参数和结构参数；偏转器参数包括偏转器的结构参数和位置参数；透镜系统参数和偏转器参数通过FIB-SEM双束同步系统实测和聚焦离子束光学系统设计调研而得；
样品的位置参数依据FIB-SEM双束同步系统实测获得。
步骤二、计算并得到FIB束系统中透镜和偏转器的二维场和三维空间场；
透镜的二维场和三维空间场计算方法为：将步骤一中的透镜系统参数中的透镜结构尺寸参数输入国际Mebs软件的有限元法程序计算出标准透镜电位的离散网格二维场；将离散网格场通过Hermite多项式插值获得透镜的三维空间场；
偏转器的二维场和三维空间场计算方法为：将步骤一中偏转器的结构参数和基准电极电位参数输入Mebs软件的一维边界元法和三维有限差分程序分别获得二维场和三维空间场。
步骤三、实现包含空间电荷效应的FIB三维束流密度体分布；
将样品位置设为离子FIB系统的高斯像平面；根据聚焦离子源的初始参数，透镜和偏转器的位置和二维空间场以及样品的位置参数，并以FIB-SEM双束同步系统FIB单束加工性能优化获得透镜电位和偏转器偏转电压后，采用五阶龙格库塔法求解离子束运动的牛顿－洛仑兹方程组，获得包含几何像差和空间电荷效应的FIB三维运动轨迹，得到FIB束流密度的三维空间分布；通过FIB-SEM双束同步系统的FIB单束加工具体性能进行验证。
具体步骤为：
步骤301、获得初始的透镜电位和偏转电压；
步骤1和2得到离子源参数、透镜位置和二维场分布，偏转器位置和二维场分布以及样品位置参数做初始条件，样品上FIB性能作为目标，获得透镜电位和偏转电压；
步骤302、获取离子束的三维运动轨迹；
离子束在电磁场中的运动可以由下式获得：
mai＝q(Ei+vi×Bi) (1)
其中，m表示粒子质量，q为离子带电量，vi为第i个离子的运动速度，Bi为磁感应强度，Ei表示电场强度，ai表示第i个离子的加速度，其中i＝1,…,N，N为离子源在采样周期内发射的离子个数。对于离子束来说，磁场不存在，考虑离子间库仑力效应电场强度可以表示表示为Ei＝ELi+ECi，其中，ELi为透镜和偏转器的三维空间场，ECi表示离子之间的库仑力场。利用步骤301的初始条件和步骤二获得的三维场，求解方程组(1)，从而获得综合考虑几何像差和空间电荷效应的FIB三维运动轨迹；
步骤303、优化N值得到FIB束流密度三维空间分布；
固定FIB束流下，改变N值，重复步骤302，得出FIB三维运动轨迹，FIB-SEM双束同步系统的单束加工性能结果进行比较分析，最终确定N值和FIB束流密度三维空间分布，得到FIB-SEM双束同步系统融合的初始条件。
步骤四、设置SEM束系统所需的初始SEM电子光学系统参数；
SEM电子光学系统参数包括电子源参数、透镜系统参数、偏转器参数和样品的位置参数；
电子源参数包括电子源的位置参数和性能参数，根据FIB-SEM双束同步系统测试获得；
透镜系统参数包括聚光镜的位置参数和结构参数以及物镜的位置参数和结构参数；偏转器参数包括偏转器的位置参数和结构参数；透镜系统参数和偏转器参数通过FIB-SEM双束同步系统实测和聚焦离子束光学系统设计调研而得；
样品的位置参数由FIB-SEM双束同步系统实测获得。
步骤五、计算并得到SEM束系统中透镜和偏转器的二维场和三维空间场；
透镜的二维场和三维空间场计算方法为：
类似于步骤二，将步骤四中的透镜系统参数中的透镜位置参数输入国际Mebs软件的有限元法程序计算出基准透镜电位的二维离散网格场；将离散网格场通过Hermite多项式插值获得透镜的三维空间场；
类似于步骤二，偏转器的二维场和三维空间场计算方法为：将步骤四中偏转器的结构参数和基准电极电位参数输入Mebs软件的一维边界元和三维有限差分程序获得偏转器的二维场和三维空间场。
步骤六、获取SEM三维电子运动轨迹；
类似于步骤三，根据FIB-SEM双束同步系统SEM成像性能优化得到透镜的电位和偏转 电压后，采用五阶龙格库塔法求解N个电子运动的牛顿－洛仑兹方程组，同时考虑电子与电子间的库仑力，获得包含几何像差和空间电荷效应的电子三维运动轨迹，得到电子束流密度的三维空间分布；通过SEM的具体成像指标进行验证。
步骤601、获得初始的透镜电位和偏转电压；
类似于上面介绍的301，将步骤四和步骤五得到电子源参数、透镜位置和二维场分布，偏转器位置和二维场分布以及样品位置参数作为初始条件，优化透镜电位和偏转电压实现SEM成像性能；
步骤602、获取电子束的三维运动轨迹；
类似于上面介绍的302，以步骤四和步骤五的结果为初始条件求解电子运动方程组获得综合考虑几何像差和空间电荷效应的三维电子运动轨迹；
步骤603、优化N值得到SEM束流密度三维空间分布；
类似于步骤303，固定SEM束流下，改变N值，重复步骤302，得出三维电子运动轨迹，并与FIB-SEM双束同步系统SEM成像指标进行比较分析，最终确定N值和SEM束流密度三维空间分布，获得FIB-SEM双束同步系统融合的初始条件。
步骤七、建立FIB-SEM同步加工双束融合束，获得同步加工入射粒子性能；
固定FIB和SEM的束流，根据步骤三得出的FIB三维束流密度分布、步骤六获得的SEM三维束流密度分布、FIB-SEM双束同步系统装配结构和样品的空间布局；将FIB三维束流密度分布逆时针旋转相应角度后(30°-60°)，考虑电子对离子的中和作用，实现FIB三维束流密度分布和SEM三维束流密度分布的融合，获得FIB-SEM双束融合同步加工束；融合过程中，带电粒子处于无场区，只受粒子间库仑力，离子与电子距离在平衡位置处中和成原子。
步骤八、验证FIB-SEM双束融合同步加工束，获得高精度可控同步加工。
首先，保持FIB束流不变，计算不同SEM束流下同步粒子束束流密度分布，找到最优的同步加工束性能；利用双束同步加工实验平台进行验证，实现高精度聚焦离子束-电子束双束同步可控微纳加工。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法考虑了电子对离子的中和作用，同步加工入射束粒子种类涉及原子、离子和电子，解决了前人研究中入射粒子种类不全的问题，更加符合实际的双束同步加工过程，实用性强。
(2)本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法通过优化SEM系统中电子束参数，不仅可以实时中和FIB引起的局部电荷积累效应，还可以控制同步加工束的束斑和加工精度，能够有效提高FIB-SEM同步加工过程的可控性。
(3)本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法通过设置FIB-SEM双 束同步加工系统的初始条件，研究入射粒子束的速度和能量分布时全面考虑了带电粒子光学系统的几何像差和空间电荷效应，大大提高了入射粒子束参数的准确度。
(4)本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法结合理论和实验，明确了FIB束、SEM束和同步加工束之间的关系，实现了高精度FIB-SEM双束同步可控加工。
附图说明
图1为本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法的流程示意图；
图2为本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法的FIB三维束流密度分布；
图3为本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法的SEM三维束流密度分布；
图4为本发明一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法的双束融合过程。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
由于FIB-SEM双束同步系统中入射加工束束斑较小，在纳米量级，所以入射加工束参数比如速度、束流密度分布和入射角等参数很难直接测量获得，且受离子束和电子束的双重影响，入射束粒子种类涉及原子、离子和电子，现有的方法很难控制同步加工粒子束，所以提出了一种聚焦离子束-电子束双束同步可控加工的方法，流程见图1，具体操作步骤如下：
首先，根据实验室独立集成的双束同步系统实测结果、FIB离子光学系统设计手册和SEM电子光学系统设计手册，分别获得FIB和SEM光学系统的结构和位置参数。接着，利用电磁场计算软件得到透镜和偏转器的二维场和三维空间场后，分别求解离子和电子的牛顿－洛仑兹方程组获得综合考虑几何像差和空间电荷效应的离子和电子的三维运动轨迹，并结合双束同步系统中FIB单束加工性能和SEM扫描成像指标确定FIB三维束流密度分布和SEM三维束流密度分布，得到双束融合的初始条件。然后，根据双束同步系统中FIB和SEM的布局以及样品的具体位置，将FIB三维束流密度分布逆时针旋转相应角度，考虑电子对离子的中和，融合FIB三维束流密度分布和SEM三维束流密度分布得到同步粒子束。最后，根据FIB-SEM同步系统的具体实验结果，控制双束同步加工过程，实现高精度FIB-SEM双束同步加工。
步骤一、设置FIB三维束流密度分布所需的FIB离子光学系统初始参数；
FIB离子光学系统参数包括离子源参数、透镜系统参数、偏转器参数以及样品参数。
根据FIB-SEM双束同步系统的实际测绘参数，结合聚焦离子束光学系统设计手册获得得离子光学系统，初始设置FIB束的离子源参数、透镜系统的位置参数和结构参数、偏转器的位置参数和结构参数以及FIB-SEM双束同步系统中样品的位置参数。
其中，离子源参数包括离子源的位置参数和性能参数，根据FIB-SEM双束同步系统测试 获得；本发明中采用离子源的金属材料为镓；镓(Ga)离子源参数列于表1：
表1为本发明中镓(Ga)离子源参数列表
离子源
加速电压 30kV
源斑直径 50nm、高斯分布
角电流密度 30μA/sr、均匀分布
能散 5ev、高斯分布
离子源束流 2μA
透镜系统参数包括聚光镜和物镜参数；
聚光镜参数包括聚光镜的位置参数和结构参数；物镜参数包括物镜的位置参数和结构参数；聚光镜和物镜的位置见表2，聚光镜和物镜的结构参见顾文琪等编著的《聚焦离子束微纳加工技术》，2006，北京工业大学出版社。
表2为本发明中源、透镜、偏转器和样品位置列表
离子源 0
聚光镜 25mm
物镜 241mm
上偏转器 218mm
下偏转器 233mm
样品 266.5mm
偏转器参数包括偏转器的结构参数和位置参数；
本发明中偏转器选用2个八级静电偏转器，偏转器的位置见表2，偏转器结构参数见表3。
表3为本发明中偏转器参数列表
偏转器
内径 14mm
间隙角 10°
上偏转器长度 8mm
下偏转器长度 16mm
两偏转器间距 3mm
样品的位置见表2。
步骤二、计算并得到FIB系统中透镜和偏转器的二维和三维空间场；
FIB用透镜为轴旋转对称的，其二维场分布可以利用轴上离散点的泰勒展开式获得，其三维空间场则经由二维场的Hermite多项式插值获得，收敛误差小。FIB用偏转器不是轴旋转 对称的，其二维场分布采用高精度的边界元法获得，其三维空间场必须采用三维算法求解。具体实现步骤为：
步骤201、透镜的二维场；
将步骤一中的透镜系统参数中的透镜结构参数和标准电位输入Mebs软件公司的高精度二阶有限元素程序(SOFEM)，获得离散网格点上的透镜二维场，收敛误差选取10-15；
步骤202、透镜的三维场；
将透镜的二维场采用Hermite多项式插值获得透镜的三维空间场，多项式项数为200，插值偏差小于0.0001％；
步骤203、偏转器的二维场分布；
将步骤一中的八极静电偏转器结构参数和基准电极电位输入Mebs软件公司的边界元法程序(SOFEM程序包)，获得偏转器的二维场，收敛误差为10-15；
步骤204、偏转器的三维场分布；
将步骤一中偏转器的结构参数和基准电极电位输入Mebs软件公司的三维有限差分程序(EO-3D)，计算得到偏转器的三维空间场，收敛误差取10-6。
步骤三、获取离子束的三维运动轨迹；
以FIB-SEM双束同步系统FIB单束加工性能为目标，根据离子源参数、位置参数列表、透镜和偏转器的二维场，设计获得两透镜平行工作的电位和偏转电压。采用五阶龙格库塔法求解离子束运动的牛顿－洛仑兹方程组，获得包含几何像差和空间电荷效应的三维离子运动轨迹，初始条件和方程组数量N由离子源参数和位置参数列表决定，静电场包括透镜的三维空间场以及偏转器的三维空间场，表征空间电荷效应的离子库仑力由N个离子的具体空间位置确定。最后，保持FIB束流不变，改变N值，重复获得三维离子运动轨迹直到和FIB加工性能相一致为止。
具体步骤为：
步骤301、获取透镜电位和偏转器电位；
离子束加工的光学条件为：离子源的参数列于表1，源、透镜、偏转器和样品的相对位置见表2，标准电位下透镜和偏转器的二维场分别通过步骤201和203获得，样品上的离子束目标列于表4；将上述离子光学系统写入Mebs电子光学计算软件的光学程序包，通过阻尼最小二乘法设计透镜和偏转器电位，在样品上优化实现表4所列目标，获得透镜电位和偏转电压列于表5；
表4为本发明中样品FIB性能列表
表5为本发明中透镜电位和偏转电压
聚光镜 0V，20476V，0V
物镜 0V，18106.5V，0V
第一偏转器 -278.4V
第二偏转器 348V
步骤302、获取离子束的三维运动轨迹；
离子束的三维运动轨迹能够通过求解给定初始条件下的牛顿－洛仑兹方程组(1)得到，初始条件为离子源参数见表1；由于采用的静电透镜和静电偏转器，方程组(1)中磁场等于零，电场包含透镜场、偏转场和空间电荷场。其中，三维透镜场可以由步骤202和步骤301获得，三维偏转场由步骤204和步骤301得到，空间电荷场，即离子间相互排斥的库仑力场可以表示为
其中，q为离子带电量，i，j代表离子的标号，其中i＝1,…,N，j＝1,…,N，N为离子源在采样周期内发射的离子个数，i≠j为自然数。ri，rj分别为第i个离子和第j个离子的位置；
选N＝100，利用表1中的离子源参数、表2中的位置参数、步骤202和步骤301得出的透镜三维场、步骤204和步骤301得出的偏转器三维场以及100个离子间的库仑力求解方程组1，获得包含几何像差和空间电荷效应的离子三维运动轨迹；五阶龙格库塔法的步距为1μm，保证运动轨迹计算的精度；
步骤303、优化N值得到FIB束流密度三维空间分布
固定FIB束流下，改变N值，重复步骤302，得出FIB三维运动轨迹，并与FIB-SEM双束同步系统单束加工性能结果进行比较，最终确定N值和FIB束流密度三维空间分布；N值的选取原则：因为带电粒子之间的库仑力只在距离较小时起作用，离子与离子之间库仑力仅限于采样周期内离子源发射的离子束(又称为离子包)内；N值的大小决定着离子包在光轴上的长度和库仑力效应；离子包的长度应保证其边缘效应可以忽略，因为FIB光学系统总长度为几百毫米，FIB的束径在纳米量级，所以粒子包的长度在微米量级；
具体公式如下：
N＝I·L/(v·q) (3)
其中，v为离子的运动速度，当电压在30kV时，v取值为2.8×105m/s，离子带电量为q＝1.6×10-19C，I为FIB束流，L为离子包在光轴上的长度，取10μm。本发明中首先取离子数N值为100，进行步骤302，然后改变N，不断重复步骤302，并对照FIB-SEM双束同步系统单束加工性能结果，获得FIB束流密度三维分布见图2，获得FIB-SEM双束同步系统融合的初始条件。
步骤四、设置SEM束系统所需的初始SEM电子光学系统参数；
SEM电子光学系统参数包括电子源参数、透镜系统参数、偏转器参数和样品的位置参数。
根据FIB-SEM双束同步系统中SEM部分的测绘参数，并结合SEM电子光学系统设计手册，分别获得SEM束的电子源参数、透镜的位置参数和结构参数、偏转器的位置参数和结构参数以及样品的位置参数。
电子源参数包括电子源的位置参数和性能参数，列于表6：
表6为包含电子库仑力效应的SEM束系统的电子源初始参数；
电子源
加速电压 30kV
源斑直径 15μm、高斯分布
角电流密度 100μA/sr、均匀分布
能散 3ev、高斯分布
电子源束流 60μA
表7为本发明SEM光学器件位置参数(单位mm)
电子源 0
光阑 260，500
聚光镜 262
物镜位置 490
第一偏转器 421
第二偏转器 436
样品 508
透镜系统参数包括聚光镜和物镜参数；
聚光镜参数包括聚光镜的位置参数和结构参数；物镜参数包括物镜的位置参数和结构参 数；聚光镜和物镜的位置参数见表7，聚光镜和物镜的结构参数见刘珠明博士的学位论文《纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究》。
偏转器参数包括偏转器的结构参数和位置参数；
本发明中透镜前双偏转选用两个绕在H5C2T铁淦氧磁芯上的环形偏转器，偏转器的位置见表7，偏转器结构参数见中国科学院电工研究所的博士学位论文《纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究》，2005。
两个限束光阑的位置见表7，光阑孔直径分别为100μm和80μm。样品的位置见表7。
步骤五、计算并得到SEM束系统中透镜和偏转器的二维和三维空间场；
类似于步骤二，获得SEM用透镜和偏转器场分布。具体实现步骤为：
步骤501、透镜的二维场；
类似于步骤201，计算获得离散网格点上的透镜二维场，收敛误差为10-15；
步骤502、透镜的三维场；
类似于步骤202，获得透镜的三维空间场，插值偏差小于0.0001％；
步骤503、偏转器的二维场分布；
类似于步骤203，获得偏转器的二维场，收敛误差为10-15；
步骤504、偏转器的三维场分布；
类似于步骤204，计算得到偏转器的三维空间场，收敛误差为10-6。
步骤六、获取电子束的三维运动轨迹；
以FIB-SEM双束同步系统SEM成像指标为目标，根据电子源参数、位置参数列表、透镜和偏转器的二维场，设计获得两透镜工作的激励和偏转电压；采用五阶龙格库塔法求解电子束运动的牛顿－洛仑兹方程组，获得包含几何像差和空间电荷效应的三维电子运动轨迹，初始条件和方程组数量N由电子源参数和位置参数列表决定，静场包括透镜的三维空间场以及偏转器的三维空间场，表征空间电荷效应的离子库仑力由N个电子的具体空间位置确定；最后，保持SEM束流不变，改变N值，重复获得三维电子运动轨迹直到和SEM成像指标相一致为止。
具体步骤为：
步骤601、获取透镜电位和偏转器电位；
类似于步骤301，获得电子束成像的光学条件：电子源的参数列于表6，源、透镜、偏转器和样品的相对位置见表7，标准电位下透镜和偏转器的二维场分别通过步骤501和503获得，样品上的电子束指标列于表8；将上述电子光学系统写入Mebs软件的光学程序包，通过阻尼最小二乘法设计透镜和偏转器电位，在样品上优化实现表8所列目标，获得透镜电位和偏转电压列于表9；
表8为本发明中样品上SEM指标
束流 500pA
束斑直径 50nm
入射角 2.78mrad
偏转场 200μmX200μm
表9为本发明中透镜激励和偏转电流
聚光镜 2065.10安匝
物镜 1791.72安匝
第一偏转器 102.7mA
第二偏转器 137.9mA
步骤602、获取电子束的三维运动轨迹；
类似于步骤302，电子束的三维运动轨迹能够通过求解给定初始条件下的牛顿－洛仑兹方程组(1)得到，初始条件为电子源参数见表6；由于采用的磁透镜和磁偏转器，方程组(1)中磁场为三维透镜场和偏转场，电场为电子之间的库仑力场；其中，三维透镜场可以由步骤502基准激励下的场分布和步骤601的激励获得，三维偏转场由步骤504基准激励下的场分布和步骤601的电流得到，电子库仑力场通过式(2)获得；其中，q为电子带电量，i，j为自然数，代表电子的标号且i≠j，其中i＝1,…,N，j＝1,…,N，N为电子源在采样周期内发射的电子个数，ri，rj分别为第i个电子和第j个电子的位置。
500pA下，选N＝10，利用表6中的电子源参数、表7中的位置参数、步骤502和步骤601得出的透镜三维场、步骤504和步骤601得出的偏转器三维场以及电子间的库仑力求解方程组1，获得包含几何像差和空间电荷效应的电子三维运动轨迹；五阶龙格库塔法的步距为1μm，保证运动轨迹计算的精度；
步骤603、优化N值得到SEM束流密度三维空间分布
类似于步骤303，固定SEM束流改变N值，重复步骤602，得出电子三维运动轨迹，并与FIB-SEM双束同步系统SEM成像指标进行比较分析，最终确定N值和SEM束流密度三维空间分布；N值的选取原则类似于步骤303中离子数的选取，当电压在30kV时，v取值为3×108m/s，I为SEM束流，L为电子包在光轴上的长度，取10μm；本发明中首先取电子数N值为10，进行步骤602，然后改变N，不断重复步骤602，并与FIB-SEM双束同步系统SEM成像指标进行比较分析，获得SEM束流密度三维分布，如图3所示，得到双束同步系统融合的初始条件。
步骤七、建立FIB-SEM同步加工双束融合束，获得同步加工入射粒子性能；
将FIB样品和SEM样品设在一起，针对我们的实验平台，具体位置为：FIB的工作长度为12mm，SEM工作长度为12mm，
固定FIB和SEM的束流，根据步骤一和步骤四中初始位置参数的设置以及FIB-SEM双束同步系统装配结构(30°-60°)，将步骤303得到的FIB三维束流密度分布逆时针旋转相应角度后，考虑平衡位置处(距离10-10m附近)电子对离子的中和作用，利用公式2把FIB三维束流密度分布和步骤603得到的SEM三维束流密度分布融合成同步加工束，如图4所示。图4中，1号离子和2号电子在库仑力作用逐渐靠近，最后中和成原子。
步骤八、验证FIB-SEM双束融合同步加工束，获得高精度可控同步加工。
保持FIB束流不变，仿真不同SEM束流下同步加工束的粒子束流密度分布，得出SEM参数对同步加工入射束参数的影响；然后，在建立的双束同步加工平台上开展实验，SEM束流下同步加工性能，对比验证后，获得SEM束对FIB束和的调控，实现高精度聚焦离子束-电子束双束同步可控加工。

Claims (4)

1.一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，其特征在于，通过综合考虑实际系统的像差以及空间电荷效应分别获得离子束和电子束三维束流密度分布，并依据系统的空间布局将双束融合成同步粒子束，获得的双束融合可控微纳加工；
设置三维束流密度分布的初始条件时，源参数、样品位置、透镜和偏转器的位置及结构调研测试得到；透镜和偏转器的二维场二阶有限元素法获得；透镜的三维场由二维场插值得出，偏转器的三维场采用三维有限差分算出；电气参数根据二维场下双束性能获得；
离子束三维束流密度分布通过求解给定源参数下N个牛顿－洛仑兹方程组获得，离子在静电场、磁场和库仑力场共同作用下，达到样品，N为采样周期内源发射的离子个数，与库仑力息息相关；结合双束系统的实验指标，得出三维束流密度分布；
电子束三维束流密度分布通过求解给定源参数下N个牛顿－洛仑兹方程组获得，电子在静电场、磁场和库仑力场共同作用下，达到样品，N为采样周期内源发射的电子个数，与库仑力息息相关；结合双束系统的实验指标，得出三维束流密度分布；
依据离子束三维束流密度分布、电子束三维束流密度分布以及双束的装配结构，将离子束三维束流密度分布逆时针旋转30°-60°的角度后，考虑电子对离子的中和作用，实现离子束和电子束的融合，获得双束融合同步加工入射束；对照双束平台的具体实验，实现电子束对离子束加工的控制。
2.如权利要求1所述的聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，其特征在于，所述同步加工入射束粒子包含原子、离子和电子。
3.如权利要求1所述的一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，其特征在于，提出离子束和电子束的三维束流密度分布作为双束融合的初始条件。
4.如权利要求2所述的一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法，其特征在于，通过控制电子束，中和了FIB原位电荷积累，所述控制是指，保持FIB束流不变，利用SEM束流对同步加工入射束的影响，控制入射粒子束中离子引起的原位电荷积累。
CN201610046845.3A 2016-01-25 2016-01-25 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法 Active CN105668514B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610046845.3A CN105668514B (zh) 2016-01-25 2016-01-25 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610046845.3A CN105668514B (zh) 2016-01-25 2016-01-25 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105668514A CN105668514A (zh) 2016-06-15
CN105668514B true CN105668514B (zh) 2019-04-23

Family

ID=56302300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610046845.3A Active CN105668514B (zh) 2016-01-25 2016-01-25 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105668514B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106185798A (zh) * 2016-07-22 2016-12-07 天津大学 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法
CN107976457B (zh) * 2017-11-18 2020-08-07 武汉钢铁有限公司 镀锌板表面镀层电子背散射衍射样品制备方法
CN111103316B (zh) * 2018-10-25 2021-05-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种非导体陶瓷材料无荷电平衡电压的计算方法
JP7154593B2 (ja) * 2019-02-15 2022-10-18 株式会社日立ハイテクサイエンス 複合荷電粒子ビーム装置、及び制御方法
US10763079B1 (en) * 2019-02-19 2020-09-01 Fei Company Focused ion beam impurity identification
CN110348159B (zh) * 2019-07-18 2022-10-04 西北工业大学太仓长三角研究院 一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法
CN111507058B (zh) * 2020-04-23 2022-07-22 福州立芯科技有限公司 一种考虑电子束雾化效应的解析布局方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101301994A (zh) * 2008-07-10 2008-11-12 北京航空航天大学 电子束-离子束微纳米加工组合系统
CN101844374A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 Fei公司 在切削工件时形成图像

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6977386B2 (en) * 2001-01-19 2005-12-20 Fei Company Angular aperture shaped beam system and method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101301994A (zh) * 2008-07-10 2008-11-12 北京航空航天大学 电子束-离子束微纳米加工组合系统
CN101844374A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 Fei公司 在切削工件时形成图像

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Coulomb interactions in a focused ion beam system with a dynamic corrected deflection field;Wenping Li等;《ACSR-Advances in Computer Science Research》;20151231;第31卷;第340-344页
Focused ion beam built-up on scanning electron microscopy with increased milling precision;Luo Hu等;《SCIENCE CHINA-PHYSICS MECHANICS & ASTRONOMY》;20120308;第55卷(第4期);第625-630页
Improvement of fabrication precision of focused ion beam by introducing simultaneous electrn beam;Hu Luo等;《Progress in Natural Science: Materials International》;20120313;第20卷;第111-115页

Also Published As

Publication number Publication date
CN105668514A (zh) 2016-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105668514B (zh) 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法
JP4914604B2 (ja) 電子線検査装置を用いたパターン欠陥検査方法及びそのシステム、並びに写像投影型又はマルチビーム型電子線検査装置
TWI650550B (zh) 用於高產量電子束檢測（ｅｂｉ）的多射束裝置
JP5941704B2 (ja) パターン寸法測定装置、及びコンピュータプログラム
JP6955325B2 (ja) 適応２次荷電粒子光学系を用いて２次荷電粒子ビームを画像化するシステムおよび方法
CN104272426B (zh) 扫描电子显微镜
JP3916464B2 (ja) 試料検査のための方法
TWI592976B (zh) Charged particle beam device and inspection method using the device
JP5964055B2 (ja) 試料を加工及び／又は解析するための粒子ビーム装置及び方法
US9536704B2 (en) Method for avoiding artefacts during serial block face imaging
Beleggia et al. Towards quantitative off-axis electron holographic mapping of the electric field around the tip of a sharp biased metallic needle
Liu Advances and applications of atomic-resolution scanning transmission electron microscopy
US9396907B2 (en) Method of calibrating a scanning transmission charged-particle microscope
CN110361413A (zh) 在透射带电粒子显微镜中研究动态试样
TWI784162B (zh) 高解析度電子能量分析儀以及分析電子能量之系統及方法
EP2988315A2 (en) Method for analyzing and/or processing an object as well as a particle beam device for carrying out the method
Yao et al. Improved beam spot measurements in the 2nd generation proton beam writing system
Kubo et al. Optimising electron microscopy experiment through electron optics simulation
Ten Haaf et al. Measurements of the energy distribution of a high brightness rubidium ion beam
TWI813760B (zh) 試料加工觀察方法
Uchikawa et al. Electron optics of point cathode electron gun
WO2022018782A1 (ja) エネルギーフィルタ、およびそれを備えたエネルギーアナライザおよび荷電粒子ビーム装置
Gnieser et al. Model-based correction of image distortion in scanning electron microscopy
Whitlow The MeV ion beam microscope: A lab-manual
CN105004886A (zh) 用于呈现微粒立体形貌的装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant