随着半导体制造业的快速发展，对产品质量的要求不断提高，对微分析技术的需求也越来越高。除了集成电路（IC）制造，纳米结构在新型元件中的应用也日益增多，特别是在纳米光子学和纳米光学领域。

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）系统是在常规离子束和聚焦电子束系统的基础上发展起来的。除了具备扫描电子显微镜的成像功能外，由于离子具有较大的质量，经过加速和聚焦后，FIB系统可以对材料和器件进行微纳加工，如刻蚀、沉积和离子注入，因此在纳米科技领域发挥着越来越重要的作用。

FIB加工是通过离子束轰击样品表面来实现的。在FIB加工系统中，来自液态金属离子源的离子束经过加速、质量分析和整形处理后聚焦在样品表面。离子束的斑直径已经可以达到几个纳米，加工方式是将高能离子束聚焦在样品表面逐点轰击，通过计算机控制束扫描器和消隐组件来实现特定图案的加工。

针对具体实验结果分析各加工参数对刻蚀结果的影响，主要讨论了在微纳图形加工过程中，FIB系统工作参数对刻蚀结构的影响。在FIB刻蚀过程中，离子束强度会影响束斑的聚集性；改变离子束的入射电流直接影响离子束的刻蚀速率；随着离子束驻留时间的增加，再沉积效应的影响变得更加明显。熟练掌握各参数对溅射刻蚀的影响，在实际刻蚀应用中能够显著提高加工效率，同时减少因选择不当的加工参数而导致的加工错误可能性。

离子源聚焦到样品表面时，其能量呈高斯分布，设计简单实验初探能量对结构的影响对下一步实验具有指导意义。为方便客户对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

实验方法：本文研究的各微纳图形均在Si（100）晶片上进行，预先将其切割为需求大小（5mm*10mm)。每次实验前会通过光学显微镜在晶片上查找一块干净区域，并在此区域周边滴上银胶标记，既能方便定位查看结果，又能利用银胶边缘结构快速聚焦。在刻蚀中，纳米图形结构轮廓、形貌特征与不同的工艺参数密切相关。

实验内容：在其他参数一致的情况下，改变离子束强度，研究离子束强度的高斯分布对实验结果的影响。设定结构尺寸为2um*2um，驻留时间为50us，深度设置为100nm，离子束能量取5keV、30keV，研究离子束能量的改变对刻蚀结构的影响。

图1 不同能量下刻蚀方形结构的倾斜视图

图1 为两种能量下刻蚀方形结构的52°倾斜视图。根据标尺测量知，5keV 时矩形宽度为3068nm，30keV时矩形结构宽度为2269nm，刻蚀宽度分别比设定的参数大53.4% 和13.45%，由于入射离子剂量相同，实验结果表明，刻蚀中5keV 时束斑更宽，而入射离子速度变慢，刻蚀能力变低，聚焦性更差。因此在实际应用中，根据需求选择不同的能量可以达到不同的效果，如透射电子显微镜（TEM）制备过程中，粗切时就需要选用30keV 进行材料去除，而在减薄过程中则可以选择入射速度较小的离子轰击，慢慢减薄。

另外，从图1（b）中可以观察到，设计的方形结构轮廓，结构的边缘并非垂直侧壁。这是由于入射的束流轮廓呈高斯分布的原因，去除材料主要由能量在半高宽以上的离子分布决定，而半高宽以下分布的离子（beam tail）导致刻蚀出的侧壁非垂直形貌。

离子束电流的增加导致入射离子剂量随着增加，不同电流扫描同样的结构时，电流越大结构轮廓尺寸也会越大。设定三组线结构实验，相同参数包括：不同电流下刻蚀的线轮廓长度均为10us，驻留时间是50us，扫描总时间为20s；三组实验中电流变化依次为1.5pA、9.7pA 和48pA。图2中结果为线结构俯视图，由于线结构轮廓尺寸较小，很难观察到，因此采用原子力显微镜（AFM）对尺寸进行测量，主要对比结构的宽度和深度变化情况。

图3分别为入射电流1.5pA、9.7pA 和48pA 线结构的原子力显微镜（AFM）轮廓结果，根据AFM测量结果量取三种电流下线结构深度和宽度，如图4所示。

图4 不同电流下刻蚀线结构尺寸

线结构的AFM 测量结果表明，随着电流的增加，入射的离子数增加，相同的时间内，电流越大刻蚀的线轮廓越深，宽度变化比较缓慢。小电流可用来刻蚀纳米级尺寸，大电流材料去除能力较强，实际应用中应当根据不同的需求选用不同的电流进行加工。

FIB加工过程中，在单点停留时间称为驻留时间。在蚀刻过程中，当入射离子驻留时间增加时，再沉积效应随之产生，此时刻蚀的形貌结构由于再沉积影响发生变化，因此在测量溅射产额时，研究驻留时间变化对结构的影响是有必要的。

图5 1ms驻留时间刻蚀再沉积结构和截面图（A-A）

如图5刻蚀矩形2um*4um 结构，驻留时间选择1ms，刻蚀1次，扫描方向为从左到右。从截面结果可以看到，整个扫描过程中，一次刻蚀深度曲线式加深，并从开始边界到结束始终有再沉积存在，并在两侧壁形成再沉积非晶层。

当驻留时间较长时，再沉积效应会显现出来，利用这一效应可以刻蚀出一些奇特的形貌轮廓。例如，在图6中，首先使用较短的驻留时间（50微秒）对方形结构进行预先刻蚀，扫描次数为20次；然后将驻留时间增加至1000微秒后，对矩形结构进行加工，扫描次数为1次，要求这个矩形结构与方形结构的边缘相交。

图6 再沉积结构

再沉积效应在第二次刻蚀矩形结构时发挥了重要作用。具体来说，当面对具有一定深度的结构时，由于边界侧壁呈非垂直结构，当扫描矩形结构刻到倾斜边界时，去除材料的能力增加，导致刻蚀速度增大。在这种情况下，会形成两侧类似肋板的结构，这是由于再沉积堆积具有一定的方向性。

在第二次结构初始扫描时，与方形结构重叠的作用会形成一个方形轮廓，后续的再沉积过程会沿着这一方形轮廓继续堆积，最终形成类似肋板的结构。这种现象说明再沉积效应在微纳加工过程中扮演着重要角色，影响着结构形态的形成。

通过对这些实验现象的观察和分析，可以更深入地了解再沉积效应对微纳加工过程的影响。这种了解有助于优化加工参数和控制加工过程，以获得更精确的微纳加工结果。