纳米聚焦离子束系统液态金属离子源的研制

论文摘要

聚焦离子束（Focused Ion Beam-FIB）技术是一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和无掩模刻蚀各过程于一身的新型微纳加工技术。它大大提高了微电子工业材料、工艺、器件分析及修补的精度和速度,目前已经成为微电子技术领域必不可少的关键技术之一,它为半导体器件加工制作的各个领域提供了一种新的解决方案。液态金属离子源（Liquid Metal Ion Source-LMIS）的研制成功为FIB技术提供了一个小尺寸、高亮度、高稳定度的聚焦离子源部分,使得FIB技术的发展更加迅速。本论文首先介绍了聚焦离子束和液态金属离子源的发展历史及现状;其次介绍了液态金属离子源的发射机理;然后对自主开发研制的DL-01型液态金属离子源的源组件结构的设计、发射针尖的腐蚀工艺、挂金属镓工艺、测试系统的设计以及加热电源、离子加速高压电源的设计作了介绍;接下来对该离子源的I-V特性、角电流密度、稳定性以及寿命等性能进行了测试,测试结果表明该源的各项指标均达到了设计要求,并对影响源性能的因素进行了分析;最后对该离子源的发射特性进行了模拟仿真,得出液态金属离子源的发射特性主要由发射针尖顶端的形状和大小决定,而与引出极孔径、发射极和引出极的距离关系不大的结论,从而为合理有效地设计液态金属离子源的发射系统提供了启示。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 聚焦离子束技术概述
• 1.1.1 聚焦离子束技术发展历史
• 1.1.2 聚焦离子束系统的分类
• 1.2 聚焦离子源
• 1.2.1 聚焦离子源的种类
• 1.2.2 液态金属离子源
• 1.3 开展液态金属离子源研究的意义
• 1.4 本论文工作的内容及成果
• 1.4.1 本论文的内容
• 1.4.1.1 镓液态金属离子源的设计
• 1.4.1.1.1 设计指标
• 1.4.1.1.2 设计内容
• 1.4.1.2 镓液态金属离子源性能研究
• 1.4.1.3 液态金属离子源发射特性仿真研究
• 1.4.2 创新性成果
• 1.5 论文内容的安排
• 1.6 本章小结
• 参考文献
• 第二章 液态金属离子源的发射机理
• 2.1 离子源在发射区域的形状
• 2.1.1 静态Taylor 锥模型
• 2.1.2 动态喷流柱模型（Dynamic Jet-like Protrusion Model）
• 2.2 离子发射机理
• 2.2.1 场蒸发电离离子
• 2.2.2 场电离离子
• 2.2.3 集团离子及其他过程
• 2.3 液态金属离子源电动流体力学方程及对试验现象的解释
• 2.3.1 液态金属离子源所满足的电动流体力学方程
• 2.3.2 液态金属离子源工作过程的分析及实验现象的定性解释
• 2.3.2.1 静态方程及起始电压的求解
• 2.3.2.2 实验现象的定性解释
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章DL-01 型液态金属离子源的研制
• 3.1 液态金属离子源的结构设计
• 3.2 液态金属离子源组件制作
• 3.2.1 液态金属离子源发射尖的制备
• 3.2.1.1 发射尖的基本工艺要求
• 3.2.1.2 发射尖电化学腐蚀机理
• 3.2.1.3 发射尖腐蚀过程的实现
• 3.2.2 液态金属离子源挂镓工艺
• 3.2.3 液态金属离子源测试系统
• 3.3 液态金属离子源加热电源及加速高压电源设计
• 3.3.1 加热电源设计
• 3.3.2 加速高压电源设计
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 液态金属离子源的性能研究
• 4.1 液态金属离子源的主要性能指标
• 4.1.1 虚拟源（Virtual Source）直径
• 4.1.2 液态金属离子源的伏安特性
• 4.1.3 角电流密度和亮度
• 4.1.4 发射电流的稳定度
• 4.1.5 发射离子的能散
• 4.1.6 寿命
• 4.2 液态金属离子源性能研究
• 4.2.1 液态金属离子源测试系统
• 4.2.2 工作温度
• 4.2.3 性能测试
• 4.2.3.1 I-V 发射特性
• 4.2.3.2 角电流密度及亮度测试
• 4.2.3.3 源寿命及稳定性测试
• 4.3 影响源发射性能的因素分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 液态金属离子源发射系统的仿真
• 5.1 模拟电荷法计算电场的基本理论
• 5.1.1 模拟电荷法的基本原理
• 5.1.2 模拟电荷类型及其电位、场强系数的计算式
• 5.1.2.1 点电荷电场的计算
• 5.1.2.2 线电荷电场的计算
• 5.1.2.3 环形电荷电场的计算
• 5.2 液态金属离子源发射系统的电场计算及分析
• 5.2.1 液态金属离子源发射尖端模型
• 5.2.2 计算步骤
• 5.2.3 计算软件流程图
• 5.2.4 计算结果及分析
• 5.3 用Monte Carlo 法模拟计算液态金属离子源的发射特性
• 5.3.1 Monte Carlo 方法的基本理论
• 5.3.1.1 Monte Carlo 方法的基本特点
• 5.3.1.2 随机子样、子样均值和子样均方差
• 5.3.1.3 Monte Carlo 方法中常用的分布
• 5.3.1.4 Monte Carlo 方法中随机数的产生方法
• 5.3.1.5 Monte Carlo 方法中随机变量的抽样
• 5.3.2 离子发射初始条件的确定
• 5.3.2.1 发射束流的计算
• 5.3.2.2 离子发射初始位置的确定
• 5.3.2.3 离子发射的初始速度
• 5.3.3 离子轨迹的计算
• 5.3.4 液态金属离子源的发射特性仿真计算和分析
• 5.3.4.1 角电流密度的计算
• 5.3.4.2 能散的计算
• 5.3.4.3 虚源直径的计算
• 5.3.4.4 发射特性和电极结构的关系
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结及课题展望
• 致谢
• 博士期间发表著作及文章情况
• 附录
• 论文答辩说明
• 关于论文使用权的说明