聚焦离子束－电子束双束融合模型及同步微纳加工研究

The machining accuracy and speed are dependent of the beam quality at the surface of the sample in a simultaneous dual-beam system of a focused ion beam(FIB) and a scanning electron microscope(SEM). The beam quality of the fabrication beam is affected by the focused ion beam, electron beam, the position and ratio of neutralized ions, so the assumption of the Gaussian distribution of existing models is no longer valid. Furthermore, the beam quality is very difficult to detect directly. This project aims to study the FIB-SEM dual-beam fusion model and the simultaneous micro-nano fabrication. It will include the building of double beam fusion model, the beam quality of the simultaneous fabrication, the collision of the simultaneous beam with the sample and the relative experimental verification. This project will be solved by the combination of the theoretical analysis, numerical calculation and relative experiments. Firstly, three-dimensional beam distributions of both beams are obtained by solving N motive equations under the spatial electromagnetic field on given initial conditions and the dual-beam fusion model is built by considering the neutralization. Secondly, the relationship between Coulomb interactions and the quality of the fabrication beam is analyzed, which will be verified by relative experiments in a dual-beam simultaneous system. Finally, the collision of the simultaneous beam with the sample is simulated by the Monte Carlo method. By comparing the theoretical result to the experimental data, the relationship of Coulomb interactions - the beam quality - the precision of the dual-beam simultaneous fabrication in order to achieve higher precision.

聚焦离子束－电子束同步微纳加工中，样品处加工束品质决定了加工的精度和速度。加工束品质受聚焦离子束、电子束以及双束同步工作时中和离子的位置和比例等因素影响，已有模型中的高斯分布假设不再成立，且很难直接检测。本项目拟研究电子束-离子束双束融合模型及同步微纳加工精度，内容包括：双束融合模型的建立、同步加工束品质研究、同步粒子束与样品的碰撞以及实验验证。本项目拟采用理论分析、数值计算和实验相结合的研究方法。首先通过求解给定初始条件下电磁场中N个带电粒子的牛顿－洛仑兹方程组获得电子束和离子束三维束流分布，考虑电子的中和作用建立双束融合模型；然后研究同步加工束品质与库仑力之间的关系，并通过双束同步平台测量束斑进行实验验证；最后利用蒙特卡罗法研究同步加工束与样品的碰撞过程，结合具体样品的刻蚀实验结果，找到离子库仑力－同步加工束品质－同步加工精度之间的关系，以实现高精度同步加工。

聚焦离子束(FIB)－电子束(SEM)双束同步微纳加工系统，不仅能够实现SEM实时监控下的FIB微细加工，而且通过电子的中和提高FIB单束加工精度的同时从本质上解决了样品上局部电荷积累问题，保证FIB加工过程质量的同时有效提高了FIB加工的成品率，是微纳加工技术发展的重要手段。本课题提出了包含离子（电子）间库仑力效应的FIB(SEM)三维束流密度分布，建立了更符合实际系统的聚焦离子束－电子束双束融合模型，研究了同步入射束加工样品的工作机理，获得了FIB-SEM双束融合同步加工的性能，实现了电子束对离子束加工的实时观测和控制，获得了高精度的聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工。.在FIB-SEM双束融合模型的建立过程中，实现了聚焦离子束系统的透镜前双偏转系统三维空间设计、具体偏转指标以及动态校正，分析了离子间库仑力效应对FIB束流密度分布的影响，优化获得了综合几何像差以及离子（电子）间库仑力效应的FIB(SEM)三维束流密度分布，采用理论分析、数值计算和实验相结合的研究方法得到了同步加工束中离子、电子和原子的位置和比例，改变SEM束流重复上面的过程得出SEM束流与FIB-SEM双束融合同步入射粒子束品质的关系列表，实现了电子束对离子束的优化调控。.同步粒子束的性能研究中，分析了离子、电子和原子与样品作用的工作机理，采用蒙特卡罗法仿真了相同条件下离子束在样品中的运动过程，结合双束系统在硅和玻璃等样品上的具体实验，建立了库仑力—同步加工束品质—同步加工精度之间的关系，给出了同步加工不同精度下粒子剂量、离子库仑力等优化参数，获得了电子束对FIB加工精度的控制和实时观测。