聚焦离子束学习笔记-②离子溅射

溅射缺陷与能量损失

离子经过多级加速，在碰撞级联区域内，动量从入射离子转移到靶原子。如果表面原子接收到的动能分量足以克服表面结合能，则表面原子可以作为溅射粒子喷射出来，一部分喷射出的原子可以被电离并收集。

与此同时，这种方式也会带来以下的缺陷:

离子注入：部分离子可能停留在靶材中，形成掺杂或损伤。

热效应：高能离子束局部加热，可能导致表面熔融或扩散。

带电效应：绝缘材料在FIB轰击下可能积累电荷，影响成像或刻蚀均匀性。

此外，从能量的角度来看，离子在注入靶材的减速过程中，主要会以核能损失以及电子能损失的形式耗散能量。核能损失是通过弹性散射（elastic interactions），将入射离子的动能传递到目标靶材原子中；
电子能损失产生原因是离子与靶原子间电子（或称为样品原子中原子电子云）相互作用，它是一种非弹性散射（inelastic interactions），核相互作用可导致溅射、二次离子发射 (SI)、位错、非晶化、空位和声子。电子相互作用可导致二次电子发射 (SE)、声子、等离子体（金属中）和聚合。
上述分析都是以单个离子作为对象进行分析，对于与FIB应用相关的能量范围，高能射弹的停止是随机过程，在足够大的离子群体中，必须以统计学的方法为基准进行射程判断，当离子束浓度较低时，需要考虑注入深度分布的置信空间，在晶体取向效应或高离子剂量的存在下，射程分布倾向于偏离高斯分布，且离子沟道效应导致深度分布偏斜。

碰撞级联

初级碰撞后，被激发的靶原子可能继续与周围原子发生二次碰撞，形成碰撞级联（Collision Cascade），导致更多原子获得动能并可能被溅射出。注：碰撞级联就

是一个入射离子引发一连串原子碰撞的过程，类似“撞球链反应”，它是FIB加工和损伤的核心机制。

级联的性质取决于靶原子与离子的质量比和入射离子能量，碰撞级联的分类分为三个区域。

（a）区域I被称为单撞击区域，发生在入射离子质量远小于靶材原子质量或者入射离子能量较低时，在该区域中，反冲原子没有接收到足够的能量来产生级联，并且溅射最小。

（b）区域II是线性级联区域，入射离子能量是中等的并且入射离子质量与靶材原子质量近似相等，在该区域中反冲原子接收到足够的能量来产生级联。但运动原子的密度足够稀薄，可以忽略多重碰撞和运动原子之间的碰撞。导致二元碰撞近似的线性假设在区域II中是有效的，区域II的线性碰撞级联模型是FIB通常工作的地方。

(c) 区域Ⅲ被称为尖峰区，其中入射离子能量或入射离子质量远大于靶材原子质量，结果是尖峰区内的大多数原子在碰撞级联期间移动，在常规FIB操作中很少达到第三区。此外还可以基于元素在周期表中的位置来预测给定靶材料的预期注入深度。

此外，根据实际实验结果来看，两种材料之间溅射产率的差异随着入射角的增加而减小。这表明尽管控制溅射产率的主导机制是结合强度或SBE(Surface Binding Energy，表面结合能)，碰撞级联的位置也是重要的，并且在较大的入射角下影响更大，同时原子结合得越紧密，就越难以将其作为溅射粒子喷射。

此外，溅射产率还和温度相关，下图是对于Z = 13至30的元素和25 keV Ga+束，在80°入射角下的溅射产额与熔化温度之间的相关性。

离子注入

在FIB工作中，当离子停留在材料内部时，就会出现离子注入的现象，也称为离子污染或掺杂者参杂，以下是其基础的说明。

注量（Fluence）是能量的总和，在给定的时间间隔内入射到以空间中给定点为中心的小球体上的粒子或光子的数量除以该球体的横截面积。注量的单位为注量与粒子通量密度的时间积分相同，因此，随着射束活动的时间间隔的持续时间而累积增加。

剂量（Dose）是一个通用术语，表示介质吸收的辐射、能量或粒子的数量。在离子束的情况下，剂量具有单位剂量是通量的类似物，区别在于通量是在撞击目标之前通过定义区域的离子数量，而剂量是通过类似定义区域撞击并吸收到目标中的离子数量。剂量，像注量一样，作为射束活动的时间间隔的持续时间的函数累积地增加

与通量类似，射束电流（beam current）也是能量的时间速率流或每单位时间输送多少离子的量度。束流的测量单位是安培，相当于单位时间内的电荷单位。在单电荷离子的情况下，像束流可以用离子/秒来描述，并与通量密切相关，通量是指束流的横截面面积。

电流密度（Current density）是在任何时刻给定区域内离子的能量强度或数量的度量。电流密度的单位为库伦每平方厘米。

FIB与半导体工艺中的离子注入有差异，具体表现如下表所示。

在离子注入过程中，会出现离子通道这一过程，与非离子通道相比，离子可以沿着低折射率方向穿透更远的距离。由于沟道效应会影响离子范围（即碰撞级联的形状），因此它也会对图像对比度、损伤深度和溅射产率产生显著影响；离子通道效应也会降低材料的溅射产率；离子沟道效应是多晶样品二次电子像对比度变化的原因。

再沉积

再沉积是指：在 FIB 加工过程中，被溅射出的材料原子（碎片）并没有完全离开样品，而是又落回到了样品表面或侧壁上，形成新的沉积层或杂质结构。

用FIB铣削的孔在上表面较宽，在孔的底部逐渐变细。这种典型的“V形”的形成归因于在高束流下铣削时发生的溅射材料的再沉积；当孔更深时，再沉积的影响变得越来越严重，直到再沉积的速率等于溅射的速率。

减轻再沉积的方法如下。再沉积是许多物理和化学控制变量的函数，其中一些变量包括：离开表面的原子的动能；靶材的粘附系数；被铣削特征的几何形状；靶材的溅射产率。

材料去除的速率可以被认为与再沉积的速率处于动态平衡。为了使再沉积发生，原子必须从靶材料中喷射出来。

从靶材料去除材料的速率等于原子引入真空室的速率。因此，再沉积的速率最终是真空系统从腔室中去除溅射原子的能力和真空系统之间的动态平衡的函数。如果真空系统能够以大于或等于理论上的速率抽空溅射材料，则不会有再沉积，因为将没有自由原子。

离子辐照损伤

主要包含以下几个方面

原子位移（Displacement Damage）
高能离子撞击晶体中的原子，将其从原来晶格位置“打”出来，形成空位（vacancy）和间隙原子（interstitial），也就是 Frenkel 对。这种晶格缺陷会改变材料的微观结构。

离子注入（Ion Implantation）
Ga⁺离子本身可能会停留在样品中，导致材料中掺杂了外来元素（特别是对于电子结构、磁性等性质敏感的材料，影响较大）。

表面沉积与重排（Surface Deposition & Rearrangement）
辐照可能导致表面原子的重新排列，形成非晶化层，甚至诱导局部熔融与再凝固。

非晶化（Amorphization）
当位移损伤累积到一定程度时，原本有序的晶体结构可能完全被破坏，变成非晶态。这在半导体材料（如Si、GaAs）中尤为明显，下图中，低电压可以降低非晶层的厚度。

热效应（Local Heating）
离子轰击产生的热量在局部区域堆积，可能引发热扩散、退火效应或应力集中，进而引起变形或裂纹。

相关的解决方法如下：