FIB小知識：離子源的種類

聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）系統是利用靜電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的微加工系統。通過高能離子轟擊材料表面，實現材料的剝離、沉積、注入和改性。其中離子源是FIB的關鍵部件之一。目前商用系統的離子束多為液態金屬離子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），其中鎵元素具有低熔點、低蒸汽壓及良好的抗氧化能力而被廣泛的應用。Tescan除了能夠提供常規的Ga+離子源，還能提供通過ExB質量過濾技術的Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Mn, Pb等專用金屬離子源，以及利用電子回旋共振（ECR）的Xe或其他氣體的等離子源。下面簡要的介紹一下這些不同的離子源。

1. Ga+離子源

Ga+離子源的結構如下圖所示， 發射極為尖端半徑≤ 10μm的鎢絲，液態Ga加熱后覆蓋到鎢針尖上，為了使襯底上液態金屬形成角狀, 外加電場必須達到一定強度。發射開始時, 束流強度逐漸增加。足夠強的電場將針尖上液態Ga 拉出一個泰勒錐, 錐形發射源微小尖頂的末端半徑約2nm 左右, 場致離子發射就在此處發生。

離子源的發射電流是由引出極（Extractor）和抑制極控制的，精確調校這兩個電極的電壓將發射總電流控制在<3uA。液態Ga離子源的壽命與發射電流和使用習慣有很大的關系，目前該離子源的壽命都在3000uAhr以上。到達樣品上的離子束流的大小通過光闌孔徑來控制，使用液態Ga+ 離子源的FIB的束流一般小于100nA，因此該類FIB的微區加工能力有限，合理的加工尺寸往往小于幾十微米。

2.   Xe等離子源

在2011年Orsay Physics就率先發布了能夠用于FIB-SEM的Xe等離子源。Xe等離子源就是利用高頻振動使惰性氣體電離，然后通過引出極將離子束引出并進行聚焦。與液態Ga離子源不同，Xe等離子源的離子束經過光闌后到達樣品的最大束流可以達到2uA，顯著提高了FIB的微區加工能力，可以達到液態Ga離子FIB加工速度的50倍，因此具有更高的實用性，加工的尺寸往往達到幾百微米。另外Xe還可以替換為其他容易電離的惰性氣體或混合氣體。目前Xe等離子源的最佳分辨率為25nm左右，還遠遠低于液態Ga離子源的2.5nm。但是隨著束流的增加，Xe等離子源的束斑尺寸呈線性增加，但是液態Ga離子源的束斑尺寸隨著束流的增加呈非線性的關系，如下圖所示。