聚焦離子束（FIB）在芯片制造中的應(yīng)用

聚焦離子束（FIB）技術(shù)在半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅能夠進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)切割和線路修改，還能用于觀察和制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品。

金屬鎵作為離子源的優(yōu)勢(shì)

在FIB技術(shù)中，金屬鎵被廣泛用作離子源，這與其獨(dú)特的物理特性密切相關(guān)。鎵的熔點(diǎn)僅為29.76°C，這意味著在室溫稍高的情況下，鎵就能保持液態(tài)，便于操作。此外，液態(tài)鎵的蒸氣壓極低（小于\(10^{-13}\) Torr），即使在高真空環(huán)境中也能保持穩(wěn)定，不易揮發(fā)，從而避免了對(duì)真空腔的污染。

鎵的表面張力與Taylor錐的形成

鎵的表面張力較高，這使得它能夠穩(wěn)定地形成Taylor錐，這對(duì)于精確提取離子至關(guān)重要。Taylor錐的形成是FIB技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，它涉及到液態(tài)鎵在電場(chǎng)作用下的形狀變化。

鎵離子束的產(chǎn)生過(guò)程

鎵離子束的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程。首先，液態(tài)鎵被存儲(chǔ)在一個(gè)被稱(chēng)為Ga Reservoir的容器中，并通過(guò)加熱線圈（heater wires）保持液態(tài)。隨后，液態(tài)鎵通過(guò)毛細(xì)作用流向W針尖（W needle）的表面。在鎢針尖和提取電極之間施加數(shù)十千伏的強(qiáng)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)集中在針尖處，使得液態(tài)鎵受到電場(chǎng)力的拉伸。

在電場(chǎng)的作用下，液態(tài)鎵被拉伸成一個(gè)曲率半徑非常小的錐形，即Taylor錐。在Taylor錐的尖端，液態(tài)鎵的原子被強(qiáng)電場(chǎng)游離，形成鎵離子。這些離子以大約50°的初始發(fā)射角射出，并在下游的電磁透鏡的作用下被聚焦。

經(jīng)過(guò)聚焦后的鎵離子束形成了一個(gè)高亮度、高精度的高斯分布束斑（Gaussian Profile）。這種分布使得FIB技術(shù)在微納加工中能夠?qū)崿F(xiàn)極高的加工精度，通常小于10納米，這對(duì)于芯片制造中的精細(xì)操作至關(guān)重要。

結(jié)論

聚焦離子束技術(shù)因其獨(dú)特的物理特性和精細(xì)的加工能力，在芯片制造領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。金屬鎵作為離子源的選擇，不僅因其低熔點(diǎn)和低蒸氣壓，還因?yàn)槠涓弑砻鎻埩驮陔妶?chǎng)中形成的Taylor錐，這些都是實(shí)現(xiàn)高亮度、高精度離子束的關(guān)鍵因素。通過(guò)精確控制電場(chǎng)和電磁透鏡，F(xiàn)IB技術(shù)能夠產(chǎn)生具有高斯分布的聚焦離子束，為微納加工提供了強(qiáng)有力的工具。