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离子束刻蚀（IBE）技术研究

1.离子束刻蚀（IBE）技术的原理？

离子束刻蚀（IBE，Ion Beam Etching）也称为离子铣（IBM，Ion Beam Milling），也有人称之为离子溅射刻蚀，是利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子，氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，以达到刻蚀的作用。刻蚀过程即把Ar气充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面轰击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理刻蚀。工件表面有制备沟槽的掩膜，最后裸露的部分就会被刻蚀掉，而掩膜部分则被保留，形成所需要的沟槽图形。

离子束刻蚀使高方向性的中性离子束能够控制侧壁轮廓，优化纳米图案化过程中的径向均匀性和结构形貌。另外倾斜结构可以通过倾斜样品以改变离子束的撞击方向这一独特能力来实现。

在离子束刻蚀过程中，通常情况下，样品表面采用厚胶作为掩模层，刻蚀期间富有能量的离子流会使得基片和光刻胶过热。为了便于后面光刻胶的剥离清洗，一般需要对样品台进行冷却处理，使整个刻蚀过程中温度控制在一个比较好的范围。

图1 离子束刻蚀设备结构图

图2 离子束刻蚀工艺原理图

2.离子束刻蚀（IBE）适合的材料体系？

可用于刻蚀加工各种金属（Ni、Cu、Au、Al、Pb、Pt、Ti等）及其合金，以及非金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体、聚合物、陶瓷、红外和超导等材料。

目前离子束刻蚀在非硅材料方面优势明显，在声表面波、薄膜压力传感器、红外传感器等方面具有广泛的用途。

3. 离子束刻蚀（IBE）技术的优点和缺点？

a 优点：

 （1）方向性好、无钻蚀、陡直度高；

 （2）刻蚀速率可控性好，图形分辨率高，可达0.01um；

 （3）属于物理刻蚀，可以刻蚀各种材料（Si、SiO2、GaAs、Ag、Au、光刻胶等）；

 （4）刻蚀过程中可改变离子束入射角来控制图形轮廓，加工特殊的结构；

b 缺点：

 （1）刻蚀速率慢、效率比ICP更低；

 （2）难以完成晶片的深刻蚀；

 （3）属于物理刻蚀，常常会有过刻的现象。

4.反应离子束刻蚀（RIBE）技术简介及优点？

反应离子束刻蚀（RIBE）是在离子束刻蚀的基础上，增加了腐蚀性气体，因此它不但保留了离子束物理刻蚀能力，还增加了腐蚀性气体（氟基气体、O2）离化后对样品的化学反应能力（反应离子束刻蚀：RIBE），也支持腐蚀性气体非离化态的化学辅助刻蚀能力（化学辅助离子束刻蚀：CAIBE），对适用于化学辅助的材料可以大幅度提升刻蚀速率，提高刻蚀质量。

5. 离子束刻蚀（IBE）的案例展示  

典型应用：

1、三族和四族光学零件

2、激光光栅

3、高深宽比的光子晶体刻蚀

4、在二氧化硅、硅和金属上深沟刻蚀

5、微流体传感器电极

6、测热式微流体传感器

伯东 KRI 双离子源辅助离子束溅射技术获取高反射吸收Ta₂O₅薄膜

为了获取高性能紫外激光薄膜元件, 急需研制紫外高吸收薄膜, 某研究所采用伯东 KRI 双离子源辅助离子束溅射沉积技术镀制 Ta2O5 薄膜进行研究.

其系统工作示意图如下：

该研究所的离子束溅射镀膜组成系统主要由溅射室、双离子源、溅射靶、基片台等部分组成.

其中双离子源中的一个离子源适用于溅射靶材, 另个离子源是用于基材的预清洗.

用于溅射的离子源采用伯东的 KRI 聚焦型射频离子源 380, 其参数如下:

伯东 KRI 聚焦型射频离子源 RFICP 380 技术参数：

理由：

聚焦型溅射离子源一方面可以增加束流密度, 提高溅射率; 另一方面减小离子束的散射面积, 减少散射的离子溅射在靶材以外的地方引起污染

用于预清洗的离子源是采用伯东 KRI 霍尔离子源 Gridless eH 3000

KRI 霍尔离子源 Gridless eH 3000 技术参数:

其溅射室需要沉积前本底真空抽到 1×10-5Pa, 采用伯东分子泵组  Hicube 80 Pro, 其技术参数如下：

运行结果：

伯东 KRI 双离子源辅助离子束溅射技术可以制备不同吸收率的355nm高反射吸收 Ta2O5 薄膜.

伯东是德国 Pfeiffer 真空泵, 检漏仪, 质谱仪, 真空计, 美国 KRI 考夫曼离子源, 美国HVA 真空阀门, 美国 inTEST 高低温冲击测试机, 美国 Ambrell 感应加热设备和日本 NS 离子蚀刻机等进口知名品牌的指定代理商.

福州大学离子束刻蚀机顺利验收

烈日炎炎，热情满心间！后疫情时代，NANO-MASTER工程师步履不停，一站接一站为客户提供设备安装调试服务。首站福州大学，那诺-马斯特工程师已顺利安装验收NIE-3500型离子束刻蚀机！

性能配置：

• 离子束刻蚀机用于刻蚀金属和介质，z大可支持6”晶圆。

• 配套美国考夫曼-罗宾逊 KDC160离子枪，650mA，100-1200V。刻蚀速率：~250A/min对Au；刻蚀均匀度：对4”片，片内均匀性优于±3%，重复性优于±3%。

• 样品台可旋转，转速0-30RPM精确可控；可任意角度倾斜，支持斜齿刻蚀；带水冷功能，刻蚀后易去除光刻胶。

• 极限真空12小时可达6x10-7Torr，15分钟可达10-6Torr量级的真空；采用双真空计，长期可靠，使用稳定。

• 14”不锈钢立方腔体，配套一台主控计算机，20”触摸屏监控，配合Labview软件，实现计算机全自动工艺控制，并可在电源中断情况下安全恢复；完全的安全联锁；支持百级超净间使用。

  
  

验收培训：

安装调试视频：

聚焦离子束FIB测试交流群

FIB含义：

聚焦离子束（Focused Ion beam简写FIB)是将离子源(大多数FIB都用Ga，也有设备具有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。作用：

1.产生二次电子信号取得电子像.此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似

2.用强电流离子束对表面原子进行剥离,以完成微、纳米级表面形貌加工。

3.通常是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。

FIB应用：

FIB技术的在芯片设计及加工过程中的应用介绍：

1.芯片IC电路修改，切线连线。

用FIB对芯片电路进行物理修改可使芯片设计者对芯片问题处作针对性的测试,以便更快更准确的验证设计方案。 若芯片部份区域有问题,可通过FIB对此区域隔离或改正此区域功能,以便找到问题的症结。

FIB还能在Z终产品量产之前提供部分样片和工程片,利用这些样片能加速终端产品的上市时间。利用FIB修改芯片可以减少不成功的设计方案修改次数，缩短研发时间和周期。

2.Cross-Section 截面分析

用FIB在IC芯片特定位置作截面断层,以便观测材料的截面结构与材质,定点分析芯片结构缺陷。

3.Probing Pad

在复杂IC线路中任意位置引出测试点, 以便进一步使用探针台(Probe- station) 或 E-beam 直接观测IC内部信号。

4.FIB透射电镜样品制备

这一技术的特点是从纳米或微米尺度的试样中直接切取可供透射电镜或高分辨电镜研究的薄膜。试样可以为IC芯片、纳米材料、颗粒或表面改性后的包覆颗粒，对于纤维状试样，既可以切取横切面薄膜也可以切取纵切面薄膜。对含有界面的试样或纳米多层膜，该技术可以制备研究界面结构的透射电镜试样。技术的另一重要特点是对原始组织损伤很小。

5.材料鉴定

材料中每一个晶向的排列方向不同，可以利用遂穿对比图像进行晶界或晶粒大小分布的分析。另外，也可加装EDS或SIMS进行元素组成分析。

FIB第三方服务：

由于FIB价格昂贵，中小企业很难拥有自己的设备，不过现在市面上有很多设备可以提供对外服务，北京西二旗国软检测有带电镜和能谱功能的FIB，可以做切点观察，切线连线，表面观察，成分分析等。

延伸阅读：实验室介绍

北京软件产品质量检测检验ZX（简称：北软检测）成立于2002 年7月，是经北京市编办批准，由北京市科学技术委员会和北京市质量技术监督局联合成立的事业单位。2004年1月，国家质量监督检验检疫总局批准在北软检测基础上筹建国家应用软件产品质量监督检验ZX（简称：国软检测），2004年10月国软检测通过验收并正式获得授权，成为我国第，一个国     ，  家     ，级的软件产品质量监督检验机构。

     ZX依据国际标准 ISO/IEC 17025：2005《检测和校准实验室能力认可准则》和ISO 9001：2015《质量管理体系要求》建立了严谨的质量体系，拥有一  ，     流的软件测试平台，2600平方米的测试场地，1000多台套的测试设备和上百人的专业测试工程师队伍。目前具有资质认定计量认证（CMA）、资质认定授权证书（CAL）、实验室认可证书（CNAS）、检验机构认可证书（CNAS）、信息安全风险评估服务资质认证证书（CCRC），信息安全等级保护测评机构（DJCP）、ISO 9001：2015质量管理体系认证、ISO/IEC 27001：2013信息安全管理体系认证等各种资质。

      智能产品检测实验室于2015年底实施运营，能够依据国际、国内和行业标准实施检测工作，开展从底层芯片到实际产品，从物理到逻辑全面的检测工作，提供芯片预处理、侧信道攻击、光攻击、侵入式攻击、环境、电压毛刺攻击、电磁注入、放射线注入、物理安全、逻辑安全、功能、兼容性和多点激光注入等安全检测服务，同时可开展模拟重现智能产品失效的现象，找出失效原因的失效分析检测服务，主要包括点针工作站（Probe Station）、反应离子刻蚀（RIE）、微漏电侦测系统（EMMI）、X-Ray检测，缺陷切割观察系统（FIB系统）等检测试验。实现对智能产品质量的评估及分析，为智能装备产品的芯片、嵌入式软件以及应用提供质量保证。

文末福利：聚焦离子束测试交流群 客服微信a360843328

二氧化硅 (SiO_2) 薄膜具有硬度高、耐磨性好、绝缘性好等优点常作为绝缘层材料在薄膜传感器生产中得到广泛应用. 某光学薄膜制造商为了获得高品质的 SiO_2薄膜引进伯东 KRI 聚焦型射频离子源 RFICP 380辅助离子束溅射镀制SiO_2薄膜.

该制造商的离子束溅射镀膜组成系统主要由溅射室、双离子源、溅射靶、基片台、真空气路系统以及控制系统等部分组成.

离子源溅射离子源采用进口的 KRI 聚焦型射频离子源 RFICP 380, 其参数如下:

伯东 KRI 聚焦型射频离子源 RFICP 380 技术参数：

推荐理由：

1. 聚焦型溅射离子源一方面可以增加束流密度, 提高溅射率

2. 另一方面减小离子束的散射面积, 减少散射的离子溅射在靶材以外的地方引起污染

其真空气路系统真空系统需要沉积前本底真空抽到 8×10-4 Pa, 经推荐采用伯东泵组  Hicube 80 Pro, 其技术参数如下：

分子泵组 Hicube 80 Pro 技术参数:

运行结果：

1. SiO_2薄膜沉积速率比以前更加快速

2. 薄膜均匀性明显提高

3. 成膜质量高、膜层致密、缺陷少

伯东是德国 Pfeiffer 真空泵, 检漏仪, 质谱仪, 真空计, 美国 KRI 考夫曼离子源, 美国HVA 真空阀门, 美国 inTEST 高低温冲击测试机, 美国 Ambrell 感应加热设备和日本 NS 离子蚀刻机等进口知名品牌的指定代理商.

JIB-4000 聚焦离子束加工观察系统升级为JIB-4000PLUS


JIB-4000 聚焦离子束加工观察系统升级了，新型号：JIB-4000PLUS。该设备为单束FIB装置，不仅可以对样品表面进行SIM观察 、研磨、及碳和钨等沉积，还可以为TEM制备薄膜样品和截面样品；可选3D观察功能、自动TEM样品制备功能，能对应多种制样需求。

某机构采用伯东 KRI 考夫曼射频离子源 RFICP380  辅助磁控溅射在柔性基材表面沉积多层 NSN70 隔热膜, 制备出的 NSN70 隔热膜具有阳光控制功能, 很好的解决了普通窗帘或百叶窗隔热效果不明显的问题.

KRI 射频离子源 RFICP380 技术参数:

在柔性基材 PET 上沉积 AgCu 合金制备的 NSN 系列隔热膜, 继承了单 Ag 隔热膜良好的光谱选择性, 同时能有效的解决 Ag 易硫化的难题, 还具有抗氧化功能, 以防止隔热膜长期放置透射率指标变化过大.

NSN70 隔热膜是沉积 AgCu 合金的金属膜系结构产品, 它生产效率高、隔热性好.

KRI 离子源的独特功能实现了更好的性能, 增强的可靠性和新颖的材料工艺. KRI 离子源已经获得了理想的薄膜和表面特性, 而这些特性在不使用 KRI 离子源技术的情况下是无法实现的.