诺贝尔奖技术加持！激光冷却技术助力FIB新革命！
发布日期：2024-10-16
聚焦离子束（FIB）技术是一种将高能离子流聚焦成细束的仪器，可对样品进行精密操作，尤其擅长对微观结构进行高精度的切割、成像和修复。随着FIB技术的进步，其应用范围已从早期的半导体制备扩展到材料科学、纳米加工以及高分辨率成像等领域。
传统的FIB系统多基于镓（Ga+）离子源，其强度较低且样品污染性较高。近年来，基于氦（He+）和锂（Li+）等轻元素的离子源技术相继被开发，但仍然无法完全克服空间分辨率和样品损害问题。铯（Cs+）和铷（Rb+）作为新的离子源材料，具有出色的性能。zeroK公司运用曾获诺贝尔奖的激光冷却技术，创新性地研发推出了基于极低温铯离子源（Cs+ LoTIS）的新一代高性能聚焦离子束系统-FIB: ZERO（Cs+ LoTIS）。该技术温度最低可达~10μK，可以有效减少离子束中的随机运动，实现更好的聚焦精度、更稳定的束流特性、更好的低电压表现以及更清晰的成像效果。基于上述优势，FIB: ZERO正逐渐成为FIB领域的研究热点。
新一代高精度极低温铯离子源FIB系统-FIB: ZERO
FIB: ZERO亮点展示
加工精度对比
左图为Ga+离子源FIB系统对多晶银样品的切割效果（30kV，230pA），右图为ZeroK Nanotech FIB: zero 对同一样品进行切割效果（16kV，130pA）。
在硅上沉积的铜层进行矩形形状的切割工艺，（层厚1150 nm，20μm*20μm，切削时间为20 min ），左中右分别为Ga+离子源FIB在30kV@2640pA，16kV@1440pA下进行切割和ZeroK Nanotech FIB: zero在16kV@1070pA下进行切割工艺的效果展示。
加工速度对比
在10 kV下，Cs+离子束磨削速度同30kV下的Ga+离子束相当，比10kV下的Ne+离子束的磨削速度高90%。
加工损伤范围对比
SRIM（The Stop and Range of Ions in Matter）模拟离子束在加工硅的过程中对材料的影响范围。图从左右分别为Ne+ 10kV, Ga+ 30kV, Cs+ 10kV。从图可以看出，Cs+离子源对被加工材料的损伤范围小。
成像效果对比
左图为Ga+离子源FIB系统对120 μm高的样品成像结果，右图为ZeroK Nanotech FIB：ZERO对同一样品的成像结果。
FIB: ZERO案例展示
近日，来自埃因霍温理工大学和莱茵兰-普法尔茨技术大学的科研团队借助新一代高精度极低温铯离子源FIB系统-FIB: ZERO研究发现，该系统在扫描离子显微镜（SIM）成像中的表现显著优于传统技术。研究显示，与传统的Ga+ FIB系统相比，Cs+离子束可提供更高的二次电子（SE）产率，极大地提高了成像的信噪比。此外，Cs+离子束在成像分辨率、材料对比度和表面灵敏度等方面优势突出，能够以较低的能量实现高亮度成像，从而显著降低样品损伤。上述特性使其特别适用于复杂纳米结构的分析和高精度半导体加工，有望成为下一代纳米技术和半导体行业的核心工具。
本文中的SIM实验在凯泽斯劳滕大学的Cs+ FIB: ZERO上开展，Rb+/Ga+ FIB均在配置几乎相同的仪器上进行测试。下图展示了使用 Rb+ 和 Cs+ 离子束对不同样品进行扫描离子显微成像（SIM）的二次电子（SE）和二次离子（SI）模式的图像。样品包括金（Au）和部分覆盖了FIB提升网格的铝（Al）标准样品。在SE 和 SI 模式下的图像，揭示了两种模式在材料对比度和表面结构细节展示上的差异。SI模式对样品表面形貌变化（例如刻蚀区域）不太敏感，而在SE模式中，同一区域显得更暗。这表明SI模式在材料对比度上的表现更佳，而SE模式更能凸显样品的表面特征。
下图对Rb+（8.5 kV）、Cs+（2-16 kV）以及Ga+（8 kV和16 kV）在不同样品上的二次电子（SE）产量进行了对照。样品包括铝（Al）、金（Au）、银（Ag）等纯元素。通过对比不同能量和不同离子源的SE产量，发现Rb+ 和 Cs+ 离子在提升成像信噪比方面的优势。尤其是在铝等样品上，Cs+的SE产量尤为高，这表明使用Cs+成像时可以获得更高的信噪比。
下图展示了Rb+（8.5 kV）、Cs+（5-16 kV）和Ga+（8-16 kV）在不同元素（如铝、银、铜等）上的相对二次离子信号强度。通过比较不同离子源在不同元素上的相对SI信号强度，分析不同离子源在SI成像模式下的材料对比度表现。随着样品的原子序数（Z2）的增加，Yrel（相对二次离子信号）逐渐升高，表明对于高Z2样品，Cs+和Ga+系统在SI模式下能够产生更高的相对信号，且Cs+表现出较高的SI信号。
下图(a)展示了基于拟合模型预测的Cs+、Rb+ 和Ga+的相对二次离子信号（Yrel）值，图(b)展示了不同离子源在不同样品上的BSI（回散离子）/SI（二次离子）比率变化。通过拟合模型，定量分析不同离子源在SI和BSI信号之间的贡献变化，特别是随着原子序数增加，信号如何发生变化。结果表明，Cs+的SI信号的贡献要远大于BSI，而Ga+和Rb+则表现出较高的BSI信号。这说明Cs+离子在材料分析中的表面灵敏度更强，适合二次离子成像。
综上所述，基于Cs+离子源的FIB系统，在同其他离子源（包括Rb+和Ga+）对比中，相似的束能下可以诱导更多的SE，这使得FIB: ZERO在成像质量和信噪比方面具有绝对优势。而相对SI成像信号Yrel的结果显示Cs+和Ga+的材料对比相似，使用简单的线性模型拟合测得的Yrel数据，预测在相似的离子束能量下，Cs+离子可以诱导比Rb+和Ga+更高的相对SI率。这些都表明，ZeroK（Cs+ FIB） 系统有望在材料科学、纳米技术和半导体制造领域取得广泛应用，尤其是具有高表面敏感性和微乎其微的样品破坏性，使其在样品制备和实时监控应用中具有明显优势。
