离子束加工的物理基础是什么

㈠ 离子束加工的分类

1.离子蚀刻或离子铣削：Ar离子倾斜轰击工件，使工件表面原子逐个剥离。
2.离子溅射沉积：Ar离子倾斜轰击某种材料的靶，靶材原子被击出后沉淀在靶材附近的工件上，使之表面镀上一层薄膜。
3.离子镀或离子溅射辅助沉积：它和离子溅射沉积的区别在于同时轰击靶材和工件，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。
4.离子注入：较高能量的离子束直接轰击被加工材料，使工件表面层含有注入离子，改变了工件表面的化学成分，从而改变了工件表面层的物理、力学和化学性能，满足特殊领域的要求。

㈡ 激光加工，电子束和离子束加工在原理上有何异同各有何特点

1、加工原理不同。电子束和离子束的加工原理相似，都是发生碰撞效应和注入效应，从而实现加工，而激光加工是热效应的原理。

2、加工装置不同。电子束和离子束相似，都是通过电子枪装置将电子和离子打出从而对材料进行加工，而激光器是由激光器、电源等组成，与电子和离子不同。

3、加工范围不同。电子束加工范围一般适用于表面，离子束加工作用于材料的内部，而激光加工则适用范围较广，应用广。

(2)离子束加工的物理基础是什么扩展阅读

激光加工技术主要有以下独特的优点：

1、使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益。

2、可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。

3、激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

4、可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

5、激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。

6、无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

7、激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

㈢ 离子束加工的特点

1.是一 种精密微细的加工方法。
2.非接触式加工，不会产生应力和变形。
3.加工速度很快，能量使用率可高达90%。
4.加工过程可自动化。
5.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧化。
6.电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。
离子束加工的基本原理
离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，获得具有一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，是靠微观的机械撞击能量来加工的。
离子束工主要特点如下：
1.加工的精度非常高。
2.污染少。
3.加工应力、热变形等极小、加工精度高。
4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。
离子束加工的分类
离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。
蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。
离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。
产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。

㈣ 离子束加工的介绍

离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。离子束的加工装置主要由包括离子源、真空系统、控制系统和电源等。

㈤ 电子束和离子束分别可用于哪些微纳加工工艺

电子束离子束加工的发展趋势及应用聚焦的离子束在半导体行业有着重要作用，可用来切割纳米级结构，对光刻技术中的屏蔽板进行修补，分离和分析集成电路的各个元件，激活由特殊原子组成的材料，使其具有导电性等等。聚焦的离子束在其他方面也有应用。可用来分析样品化学成分、进行生物研究以及制造保持血管畅通的心脏固定膜等微型医学植入材料。但是，在用带正电荷的离子束对绝缘材料进行成像或进行缩微处理时，常常会出现麻烦，绝缘材料会逐渐带上正电荷，从而会排斥带同性电荷的离子束，使聚焦的离子束发散，影响精度。科学界解决这一问题的传统方法有两个：一个是在离子束到达非金属绝缘体之前，通过一种气化元件进行中和；另一种方法是在绝缘材料上设置一电子束中和这个带正电的离子束。但是这两种方法都有其弊端，第一种方法往往要求加大离子束加速器和绝缘材料之间的距离，而距离太长会干扰离子束的聚焦。第二种方法中，产生额外的电子束需要另一电子加速器，而且要求与离子束随时保持在同一直线上，对于多束离子同时作用一种材料，很难实现这些要求。而美国科学家对其实验室发明的多离子束系统进行改进后，得到了中和正离子的全新方法。与传统聚焦离子束装置中的液化金属离子不同，这一新系统使用两个离子束腔，将气态分子中的电子和正离子分离。通过三条电极组成的电极棒将两个腔隔开，一个腔只允许电子通过，另一个腔只许正离子通过。这样的设计，不但可以形成加速的离子束，而且也不会阻止电子束的通过，最后离子束达到目标材料后，离子和电子会自我中和形成先前的气态原子，也不会导致目标材料带电。利用这种装置可以对各种离子进行加速，包括惰性气体、锰等金属甚至碳60这样的分子团，都可以用来形成离子束。另外，科研人员还利用多孔屏蔽板，获得圆洞形、线性和弧形等不同形状的离子束，发射一次离子束可以生产几千个心脏内膜，大大提高了效率。离子束刻蚀离子束刻蚀以离子束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻饰，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。但是，在离子束加工过程中，损伤问题比较突出，且离子束加工精度还不容易控制，控制精度也不够高。束流强度达几十万以至上百万安培的束流。它比通常加速器的束流密度高几万倍以至几十万倍。20世纪60年代初期,由于模拟核爆炸条件下γ射线辐照效应和X射线照相的需要，强流脉冲电子束加速器得到了迅速发展，70年代后，由于粒子束惯性约束聚变、电子束抽运气体激光器、电子束产生高功率微波等研究工作的要求，研制了低电压大电流的电子束加速器，并在这些技术的基础上获得了强流脉冲离子束。1984年已能产生1MeV、1MA的轻离子束，强流脉冲电子束也达到了如下的技术水平：电子能量0.3MeV～12MeV电子束流10kA～5MA脉冲宽度10ns～100ns总束能1kJ～5MJ功率1011W～3×1013W这些束流之特点是束流能量大、功率高、电流大、时间宽度窄。这种基于物理学和电工学相结合的高功率脉冲技术是一门新的前沿科学技术，近年来发展极为迅速，已成为研究高温高压等离子体物理的重要工具，它在经济和军事应用方面有着广阔的前景。强流脉冲电子束的产生强流脉冲电子束加速器主要由三个部分组成，即冲击电压发生器、脉冲成形线与脉冲传输线和场致发射二极管。从冲击电压发生器输出的微秒级上升时间的高压脉冲经脉冲成形线成形为几十纳（10-9)秒上升时间的高压脉冲，并由传输线输运至场致发射二极管，二极管起着将电磁能转变为电子束的能量的作用。冲击电压发生器见脉冲倍压发生器之图2。冲击电压发生器的工作原理是对电容器组并联充电串联放电，获得脉冲高压输出，减小冲击电压发生器电感，可缩短输出高压脉冲的上升时间。电容器的排列有Z型、S型和混合型等，采取正、负充电线路，可使火花球隙数目减少一倍。LC反转冲击电压发生器的电感小，输出脉冲上升时间短，但当所有球隙不能在同一时间内击穿时，过电压会把电容器击穿。脉冲成形线和脉冲传输线如图1所示。冲击电压发生器输出的电压脉冲，对脉冲成形线充电，当电压充至一定值时主开关接通，成形线中开始了波过程,经过时间在成形线末端产生时间宽度为的高压脉冲加在场致发射二极管上。L为成形线长度,с为光速,ε为成形线介质的介电常数，也可以通过变阻抗传输线加到二极管上，以达到升压或降压的目的。脉冲成形线和脉冲传输线中充以去离子水或变压器油，对于亚微秒充电时间的高压脉冲，水是很好的绝缘介质，水的储能密度大、价廉，发生电击穿后能很快恢复不留痕迹。可根据T.H.马丁的经验公式来考虑脉冲成形线和脉冲传输线的绝缘要求。强流电子束二极管阴极表面细微的针尖状结构，使场强增大约100倍，趋于108V/cm，由此引起的电流的增强造成阴极上微小尖端的蒸发，蒸发物的电离形成阴极等离子体，并从中发射电流，阴极等离子体的前沿以1～4×104m/s的速度向阳极运动，随着束流的增强，在阳极上吸附的气体释放出来并被电离，形成阳极等离子体，它以约1×104m/s的速度向阴极运动。描述二极管中电子束流特性的一个重要物理量是v/γ值，v是单位长度上电子数目乘电子经典半径，，，IA称为阿尔文电流。低v/γ值二极管阻抗可由蔡尔德－朗缪尔公式描述，平行板二极管阻抗为式中V以兆伏为单位,R是二极管半径，d是阴阳极间隙距离，以厘米为单位，μ是阴极等离子体运动速度，以厘米／秒为单位，Z以欧姆为单位，K(V)是随着V而增长的函数，对于非相对论性束流K(V)＝136。当二极管中电流超过了临界电流值时，电子轨迹开始箍缩，这时电子的拉莫尔半径等于电子束半径的一半，并等于阴阳极之间的间距。在高v/γ值的二极管中，当达到临界电流值时，束流开始箍缩，实验观察到箍缩主要在脉冲的后一段时间内形成，并以(1～5)×106m/s的径向崩塌速度进行，它比等离子体膨胀速率大一个半到二个数量级，这是由于阳极等离子体中的正离子向阴极运动，改变了空间电荷分布，增大了二极管电流，从而使箍缩进一步发展。箍缩发生后，二极管阻抗大致和"顺位流模型"的计算值相符。箍缩的结果使电子向二极管的轴线方向移动。由于空间电荷的堆积，造成阴极中心部分轴向电场的减小，从而降低了阴极中心区域的电子发射，过剩的空间电荷使得等位面分布接近锥形。电子沿锥形等位面运动。等位面的法线方向和磁场方向垂直。因而向外的电场力和向内的自磁场力方向相反。空间电荷堆积一直继续到作用在电子上的净力为零。于是从阴极边界处发出的电子沿等位面作净力为零的运动。按顺位流模型可得进一步考虑阴极和阳极表面上存在的等离子体对箍缩所起的作用，建立了聚焦流模型，按照该模型聚焦束流为强流离子束的产生在双极性流的情况下，质子流和电子流密度满足方程式中x是阴阳极之间距离，V是阴阳极间隙上的电压，εo是空气介电常数，e是电子电荷,mp是质子质量。电子流密度约为质子流密度的43倍，强流离子二极管的工作原理是利用电场或磁场抑制电子到达阳极，使二极管的能量大部分为离子所带走，现有的离子二极管有三种类型：反射型二极管从阴极射出的电子穿过薄阳极靶后，遇到一个反向电场，使电子减速并回转，重新穿过阳极靶，然后阴阳极之间的电场又将电子拉向阳极。若靶上涂以某种有机物,由于电子来回穿过阳极靶,在靶上产生离子并向阴极运动（图2）。反射型二极管产生离子效率可达50％，实际上不需要第二个阴极，从阳极穿出的电子的堆积，形成虚阴极。离子流密度和电子流密度之比为式中Zm是离子的电荷,Mp是离子质量，〈Δθ2〉是散射角的均方值,散射角近似反比于二极管电压的二次方,离子流密度和二极管电压的关系可用7/2次方来描述。磁绝缘二极管。外加一个大于临界磁场Bcr的横向磁场,偏转电子，使它不能到达阳极。

㈥ 特种加工中电子束加工和离子束加工有什么区别

电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。我这边有个这方面的英文版课件（是哈尔滨工业大学-马新欣老师的），如需要可以联系。希望有帮助。

㈦ 聚焦离子束(FIB)技术的工作原理以及他在微纳加工技术上的主要应用是什么

聚焦离子束(FIB)技术
聚焦离子束( FIB) 技术的快速发展和实用化要归功于液态金属离子源的开发.
FIB系统的工作原理:
FIB 技术是利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺寸的显微切割技术,目前商用FIB 系统的粒子束是从液态金属离子源中引出.
聚焦离子束技术在微纳加工技术上的主要应用:
FIB 技术是当今微纳加工和半导体集成电路制造业十分活跃的研究领域.由于它集材料刻蚀、沉积、注入、改性于一身, 有望成为高真空环境下实现器件制造全过程的主要加工手段.
目前, FIB 技术主要应用在: ① 光掩模的修补; ② 集成电路的缺陷检测分析和修整; ③TEM 和STEM的薄片试样制备; ④ 硬盘驱动器薄膜头( TFH) 的制造.
同时, FIB 其他一些重要应用还在开发中,它们是: ① 扫描离子束显微镜(SIM); ②FIB 直接注入; ③FIB 曝光, 包括扫描曝光和投影曝光; ④多束技术和全真空联机技术⑤FIB 微结构制造( 刻蚀、沉积) ; ⑥ FIB/SIMS( 二次离子质谱仪) 技术.

㈧ 邹世昌的离子束技术

20世纪70年代初，经受过“文化大革命”批判的邹世昌回到了研究工作岗位，此时他的研究领域已转到研究离子束与固体材料的相互作用及其在半导体材料与器件方面的应用。当时“文化大革命”还在继续，能用的设备是国内制造的第一台20万电子伏特能量离子注入机，性能很不稳定。邹世昌先参加了CMOS集成电路（电子手表分频器）阈值电压控制的后期部分工作，这是在中国首次将离子注入应用于半导体集成电路。1974 年与上海原子核研究所合作在该离子注入机上配置束流准直器及精密定角器，建立了背散射能谱测量及沟道效应分析系统，应用于离子注入半导体的表面层组分浓度分布的测定、晶格损伤的分析以及掺杂原子晶格定位，于1975年完成了氖离子背面注入损伤吸收硅中重杂质以改善p-n结反向漏电特性的研究工作。同年9月，邹世昌在西德卡尔斯鲁厄“离子束表面分析”国际学术会议上发表了这篇论文，引起国际同行好评。令他们十分惊讶的是国际上一般都要用百万以上电子伏特能量加速器及精密仪器进行的实验，中国竟在自制的设备上完成了。这是中国第一篇在国际学术界发表的利用离子背散射能谱分析开展半导体研究的论文。1978年又与上海光机所合作在国内率先开展了半导体激光退火的研究工作。在建立了上述技术的基础上，邹世昌领导的离子束实验室对离子束与固体材料的相互作用进行了系统的研究并应用于材料的改性、合成、加工、分析，陆续完成了以下一些研究工作。（1）半导体离子注入：研究了离子注入硅的损伤及其退火行为，独创性地提出了用二氧化碳激光从背面照射对离子注入半导体进行退火及合金化的新方法，这项工作获中国科学院1982年重大科技成果二等奖。研究了用双离子注入的办法在磷化铟中得到了最高的载流子浓度及掺杂电激活率，并用全离子注入技术率先研制出国内第一块120门砷化镓门阵列电路和高速分频器，获中国科学院1990年科技进步奖一等奖。
（2）SOI技术：对SOI技术进行了系统的研究，用离子注入和激光再结晶方法合成了SOI新材料。解决了激光再结晶SOI 材料适于制作电路的表面质量问题，获得一项发明专利。在深入分析SOI材料光学效应的基础上，提出了一套非破坏性的表征技术，进而研制成功新型的CMOS/SOI电路。该项目获中国科学院1990年自然科学奖二等奖。近年来SOI材料已进入实用并将成为21世纪硅集成电路的基础技术，说明邹世昌对这一新研究领域的高瞻远瞩。
（3）离子束微细加工：研究了低能离子束轰击材料表面引起的溅射、损伤和貌相变化等物理现象，并用反应离子束微细加工在石英基片上刻蚀出中国第一批实用闪耀全息光栅，闪耀角可控，工艺重复稳定，衍射效率大为提高，这是光栅制造技术的重大突破，获中国科学院1987年科技进步二等奖与1989年国家科技进步奖三等奖。
（4）离子束增强沉积：负责国家“863高技术材料领域材料表面优化”专题，建立并掌握了可控、可预置和可重复的离子束增强沉积技术，合成了与基体有很强粘附力，低摩擦系数和高耐磨性的氮化硅、氮化钛薄膜。
由于这些成绩，邹世昌被选为国际离子束领域两个主要学术会议（离子注入技术——IIT和离子束材料改性——IBMM）的国际委员会委员。1989年被评为上海市劳动模范。

㈨ 聚焦离子束的基本功能

聚焦离子束显微镜的基本功能可概分为四种：
1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。 广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。
2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化层的沉积(Metal and TEOS Deposition)，常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和钨(Tungstun,W)二种。
3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。
4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号，借以了解切割或蚀刻的进行状况。
在实际的应用上，为了有效的搜寻故障的区域或外来掉落的材料碎屑、尘埃、污染粒子(Particles)等位置，离子束显微镜在外围的控制系统上，可配备自动定位导航系统或影像重叠定位装置，当生产线的缺陷检视系统(Defect Inspection System)，例如:KLA或Tencor，发现制程异常时，可将芯片上缺陷的计算机档案传送到自动定位导航系统，离子束显微镜即可迅速找寻缺陷的位置，并进行切割动作，确认缺陷发生的层次，如此可避免芯片送出无尘室后与外界的灰尘混淆，达到 Off-line 找到的就是In-line 看到的 精准度，这种功能免除了工程师在试片制备上极大的困扰，同时节省了传统机械研磨法中大量的人力与工时，加之也大大的提升了成功率。
在新型的聚焦离子束显微镜，目前已有双束(Dual Beam)的机型(离子束+电子束)，在以离子束切割时，用电子束观察影像，除了可避免离子束继续 破坏现场 外，尚可有效的提高影像分辨率，同时也可配备X-光能谱分析仪或二次离子质谱仪，作元素分析之用，多样化的分析功能使得聚焦离子束显微镜的便利性及使用率大幅提升。
至于离子束显微镜在IC工业上的应用，主要可分为五大类：1.线路修补和布局验证；2.组件故障分析；3.生产线制程异常分析；4.IC 制程监控-例如光阻切割；5.穿透式电子显微镜试片制作。
在各类应用中，以线路修补和布局验证这一类的工作具有最大经济效益，局部的线路修改可省略重作光罩和初次试作的研发成本，这样的运作模式对缩短研发到量产的时程绝对有效，同时节省大量研发费用。
当我们欲进行产品侦错或故障分析时，在没有KLA或TENCOR等数据档案(例如：GDSII file)数据的情况下，对于小尺寸的晶粒或已经封装后的产品，亦可利用附属的影像重叠系统(Image Overlay System)，在光学显微镜下依据参考点定出欲分析位置的相对横向和纵向距离，而在离子束显微镜内迅速找到该位置，不需以人力费时的去寻找。假若当欲分析处为前层次或是为平坦化制程，离子束显微镜的影像无法从上视(Top-View)的观察推断出确切的分析位置时，也可藉影像对准(Align Image)将离子束显微镜影像与光学显微镜影像重叠，再由光学显微镜影像定出欲切割位置，同样可达成定点位置的分析。
关于穿透式电子显微镜试片制作，离子束显微镜提供了另一种选择，在合理的工作时数(2-6小时)与成功率(> 90 %)的掌握度下，离子束显微镜不失为良好的试片制作工具。
由于离子束显微镜在辅以不同的化学气体时可具有材料沉积与蚀刻的功能，因此在5-10年前即引起人们对In-Situ Processing(在单一Chamber内连续完成所有制程) 的研究兴趣，许多先进的组件制作，例如：雷射二极管(Laser Diode)，量子井组件(Quantum Well Devices)等，都曾利用离子束显微镜的工作原理示范过组件的制作。加之，因为离子束显微镜的离子源为镓离子，对硅晶材料而言，镓离子植入亦可作为P-Type接面的离子源，在过去的浅接面(Shallow Junction Formation)中，由于镓离子的扩散系数和穿隧效应比硼(Boron,B)来得小，因此也曾掀起研究的热潮。
此外在免光罩式的离子植入(Maskless Ion Implantation)应用上，由于离子束显微镜的离子束能量可随意调变，所以相较于传统式的光阻罩幕后单一能量离子布植，离子束显微镜不但可以作极小面积的离子布植(0.1埃0.1 um2 以下)，而且最特别的是布植区域的离子植入深度 (亦即 P/N 接面的深度)可依组件设计而调变，这将使得组件设计的空间更广更有趣；在IC工业的应用上，离子束显微镜在光罩修补(Mask Repair)上亦有取代雷射光的趋势，尤其是对相位转换光罩(Phase Shift Mask, PSM)的制作中，离子束显微镜的分辨率和修补的精准度(Repair Edge Placement Accuracy)都优于雷射光，在0.25 um以下的制程中，可预期的是离子束显微镜也将会在这个领域中活络起来。

㈩ 离子束加工跟等离子体加工的原理有何不同

1、离子束加工的基本原理
所谓离子束抛光，就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中，用高频电磁振荡或放电 等方法对阴极电流加热，使之电离成为正离子，再用 5 千至 10 万伏高电压对这些正离 子加速，使它们具有一定的能量。利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能 量密度离子流， 在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面，从其表面把工 件物质一个原子一个原子地溅射掉。用这种方法对工件表面进行深度从 100 埃到 10 微 米左右的精密加工。
2、等离子体加工的基本原理
等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气 体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。等离子体又被成为物质的第四种状态。 等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理 解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等， 因此称为等离子体，具有极高的能量密度。