聚焦離子束（FIB）在芯片制造中的應用

聚焦離子束（FIB）技術在半導體芯片制造領域扮演著至關重要的角色。它不僅能夠進行精細的結構切割和線路修改，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勢

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

鎵的表面張力與Taylor錐的形成

鎵的表面張力較高，這使得它能夠穩定地形成Taylor錐，這對于精確提取離子至關重要。Taylor錐的形成是FIB技術中的關鍵步驟，它涉及到液態鎵在電場作用下的形狀變化。

鎵離子束的產生過程

鎵離子束的產生是一個復雜而精細的過程。首先，液態鎵被存儲在一個被稱為Ga Reservoir的容器中，并通過加熱線圈（heater wires）保持液態。隨后，液態鎵通過毛細作用流向W針尖（W needle）的表面。在鎢針尖和提取電極之間施加數十千伏的強電場，這個電場集中在針尖處，使得液態鎵受到電場力的拉伸。

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

經過聚焦后的鎵離子束形成了一個高亮度、高精度的高斯分布束斑（Gaussian Profile）。這種分布使得FIB技術在微納加工中能夠實現極高的加工精度，通常小于10納米，這對于芯片制造中的精細操作至關重要。

結論

聚焦離子束技術因其獨特的物理特性和精細的加工能力，在芯片制造領域發揮著不可替代的作用。金屬鎵作為離子源的選擇，不僅因其低熔點和低蒸氣壓，還因為其高表面張力和在電場中形成的Taylor錐，這些都是實現高亮度、高精度離子束的關鍵因素。通過精確控制電場和電磁透鏡，FIB技術能夠產生具有高斯分布的聚焦離子束，為微納加工提供了強有力的工具。