基于聚焦离子束的纳米加工技术及进展

房丰洲,　徐宗伟

(天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津市微纳制造技术工程中心, 天津 300072)



基于聚焦离子束的纳米加工技术及进展

房丰洲,徐宗伟

(天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津市微纳制造技术工程中心, 天津 300072)

随着纳米科技的不断发展,核心功能器件的纳米制造作为相关设计与应用研究的桥梁和基础,其研究价值的重要性日益凸显。聚焦离子束(Focused ion beam,FIB)加工是面向纳米尺度制造的一项重要技术。在概述FIB工作原理的同时,介绍FIB纳米加工方法与关键工艺的发展状况,就溅射产额、再沉积和FIB纳米直写方法等展开讨论。并介绍FIB纳米加工技术在纳米功能器件制造和基础研究等领域的典型应用。对其未来的发展从装备和机理研究的角度进行了展望。

聚焦离子束； 纳米制造； 先进制造

0　引　言

纳米制造技术在纳米科学研究和国家重大需求中具有重要的地位[1-2]。纳米制造分为纳米精度和纳米尺度两种,聚焦离子束(Focused ion beam, FIB)技术是面向纳米尺度制造的一项重要技术。其工作原理是液态离子源经过静电透镜加速、聚焦成直径为纳米尺度的离子束,实现纳米结构的高精度加工。与传统技术相比,聚焦离子束在微纳加工领域具有明显的优势:一是可对具有纳米级特征尺寸的结构进行直写加工;二是可实现对不同材料和复杂形状的微纳加工,这对传统的干法刻蚀和湿法刻蚀来说是非常困难的;三是相对传统机械加工方法,FIB制造对加工基底的损伤很小。

随着技术的发展和纳米加工需求的不断扩展,聚焦离子束技术已经成为一种用途广泛的微纳加工技术。例如,在半导体集成电路的研发和生产中,聚焦离子束加工已经成为一个不可或缺的核心环节,利用溅射切割和诱导沉积功能,FIB可实现集成电路芯片的诊断、修补以及光学掩模缺陷修补等,相关研究进展在文献[4-5]中已有详细介绍。

近年来,随着纳米功能器件的设计及应用等基础研究的不断发展,对聚焦离子束纳米加工技术的需求提出了越来越高的要求。目前，纳米结构阵列的密集化、纳米结构特征尺寸的小型化和纳米结构形状的复杂化,成为FIB纳米加工的三个发展趋势。纳米结构的密度越来越大、结构特征尺寸和形状要求越来越高。例如,国家科技重大专项之一“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”中提出,“十二五”期间重点实施的内容和目标包括进行45～22 nm关键制造装备攻关、开展22～14 nm前瞻性研究等。表面等离子体光刻技术2004年提出以来,因为其可以实现超衍射极限刻蚀精度,被认为是新一代纳米光刻的有效方法之一。聚焦离子束直写技术因为其具有高精度、可实现复杂形状结构的一次成型加工等技术优势,已被广泛应用在基于表面等离子体近场光刻技术的纳米掩模制造[6]。再如,拉曼增强衬底技术(Surface-enhanced raman scattering, SERS)能够提高单位面积内SERS结构的数量、减小纳米结构间隙、制造双孔等复杂结构形状,可以有效提高SERS基底的增强效果[7]。随着应用需求和加工参数指标的不断提升,对聚焦离子束的制造方法和工艺提出了严峻挑战。如何去解决这些难题,不仅仅是制造工艺问题,更包含聚焦离子束纳米制造基础等科学问题。

笔者将重点针对聚焦离子束纳米加工基础研究和纳米功能器件制造两个核心内容,从聚焦离子束纳米加工方法、工艺、技术及应用等角度,概述聚焦离子束纳米加工技术的研究进展。

1　聚焦离子束系统

聚焦离子束(Focused ion beam,FIB)系统主要由离子发射源、离子光学系统、工作台、真空与控制系统组成[3-8]。

聚焦离子束真正得到广泛应用是从液态金属离子源的出现开始。液态金属离子源(Liquid metal ion source,LMIS)是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源。由于金属镓具有低熔点(熔点为29.8 ℃)、低蒸汽压以及良好的抗氧化力,最常被用作离子源。离子光学是研究离子在电磁场中聚焦、成像与偏转规律的一门学问。离子光学系统是将离子聚焦成细束的核心部件。

典型的聚焦离子束系统主要分为两级透镜系统,其结构如图1所示[9]。液态金属离子源产生的离子束,在外加电场(Suppressor)的作用下,形成一个极小的尖端,再加上负电场(Extractor)牵引尖端的金属,从而导出离子束。首先,在通过第一级光阑之后,离子束被第一级静电透镜聚焦,初级八级偏转器用于调整离子束以减小像散。经过一系列的可变化孔径(Variable aperture),可灵活改变离子束束斑的大小。其次,次级八极偏转器使离子束根据被定义的加工图形进行扫描加工,通过消隐偏转器和消隐阻挡膜孔可实现离子束的消隐。最后，通过第二级静电透镜,离子束被聚焦到非常精细的束斑,分辨率可小至约10 nm。被聚焦的离子束轰击在样品表面,产生的二次电子和离子被微通道板探测器(MCP)收集并成像。系统工作电压一般在5～50 kV,它代表了离子最终打到靶材料上的能量。典型的离子束工作电流在1 pA～65 nA之间。

图1　聚焦离子系统原理

2　聚焦离子束制造方法与工艺

聚焦离子束加工是通过高能离子与材料原子间的相互碰撞完成的。高能离子束与固体表面发生作用时,离子穿入固体表面,在表面下层与固体原子发生一系列级联碰撞,将其能量逐步传递给周围晶格。在原子的级联碰撞过程中,如果受碰撞后的表面原子其动量方向是离开表面,而且能量又达到一定阀值时,就会引起表面粒子出射,这种现象称为溅射去除,见图1b。从表面逸出的各种粒子包括散射离子、二次离子、二次电子、X射线及光子等,来自于不同的物理过程,带有丰富的表面信息。其中,激发的二次电子可以用来进行离子束显微成像,见图1c。入射离子经过级联碰撞,能量损失殆尽而停留在晶格之间,此现象被称作离子注入,见图1d。聚焦离子束不仅可以通过溅射来剥离去除材料,而且可以实现材料在指定位置的添加,即局部诱导沉积(Focused ion beam induced deposition, FIBID),如图1e。聚焦离子束辅助沉积的工作原理是将少量非活性气体分子(通常为有机金属化合物气体)局部吸附在样品表面,在离子束的轰击区域,气体分子分解并沉积在材料表面。日本的Kometani等人[10]利用FIB的诱导沉积技术加工了微尺度网状结构，尝试用作生物工程中的微操纵工具，进行了直径为2 μm的聚苯乙烯微球的捕获研究，如图2所示。

成像、铣削、沉积和注入是聚焦离子束技术的四个核心功能,聚焦离子束纳米加工技术紧密围绕这四个功能展开相关方法和工艺的研究。其中,成像和铣削是聚焦离子束纳米加工的两个重要方面。

图2　FIB技术加工的微结构

2.1FIB显微成像

离子束的显微成像功能是其纳米加工的重要支撑,利用成像功能可以对加工的结果、样品形貌和组成等信息进行表征和评价。由于聚焦离子束的束斑直径为纳米尺度,与扫描电子显微技术相通,可以实现纳米精度的高分辨率显微成像。由于单独的聚焦离子束系统在完成大束流加工和小束流观察的过程中需要不断地切换束流强度,使加工过程变得繁琐,并且增加对样品的离子束照射损伤,所以,目前商业上常用的是聚焦离子束与扫描电子显微镜相结合的双束系统。它兼有扫描电镜高分辨率成像和聚焦离子束高精度加工的功能。用扫描电镜可以对样品精确定位,并能高分辨率观察聚焦离子束的加工结果和过程,对样品的损伤降到了最低限度,多束系统已成为FIB装备技术发展的主流。

相对于电子束的二次电子显微成像而言,离子束的二次电子图像尽管分辨率不如电子显微,但其会对样品的晶向及原子质量等更敏感[11],如图1c所示。图3是铜镍锌合金样品的电子束和离子束二次电子显微图像对比,离子束二次电子显微图像对样品元素组成及晶向分布比电子束图像更敏感。如图4所示，铜样品的晶向对FIB加工结果存在显著影响，特别是“Multi-pass”快速扫描加工时影响更显著[11]。因此,离子束的显微成像对复合材料的微观结构、组成和性能的分析研究具有重要的价值。离子束成像的优势在许多研究中得到了应用,例如,2012年天津大学微纳制造实验室(MNMT),利用聚焦离子束显微成像对H62黄铜的微观金相组成进行了高灵敏探测[12],而同时采用EDX能谱分析却无法探测和解释，为微机械加工中微尺度毛刺的形成机理研究提供了重要依据。

图3　铜镍锌合金的二次电子显微图像对比

图4　铜样品的晶向对FIB加工结果的影响

2.2FIB铣削

铣削溅射是聚焦离子束加工最主要的功能,FIB铣削加工的关键在于控制FIB的离子能量、束流和指定位置离子的加工时间。基于图形发生器系统,位图加工法(Bitmap patterning)是目前广泛采用的FIB直写加工方法[13]。其核心工作原理,是通过控制输入系统的灰度图灰度值的变化,聚焦离子束可以精确改变离子束在不同位置的溅射加工时间,从而实现不同微纳米结构的加工需求。通常聚焦离子束的加工时间与灰度值近似为正比关系,灰度值的变化范围为0～255,灰度值越大的位置(灰度图中显示越亮)聚焦离子束加工的时间越大。由于FIB直写的加工方式是逐点扫描加工,有模拟研究表明,为了保证实现FIB的平滑铣削[15],离子束的束流搭接比(相邻像素间距ps与束斑直径df之比)应该小于等于0.637。图5所示为聚焦离子束位图加工法获得的《悯农》纳米诗，图6是基于FIB位图法的纳米尺度三维人物肖像雕刻结果[14]。

图5　FIB直写加工的悯农纳米诗

图6　纳米尺度林肯的FIB雕刻结果

2.2.1溅射产额与再沉积

离子溅射的一个核心参数是溅射产额(Sputtering yield),即每个入射离子能够产生的溅射原子数。溅射产额可以用Sigmund“线性连锁碰撞模型”(Linear collision cascade)计算[3]:

(1)

Us——表面键合能(Surfacebindingenergy);

Sn——原子核碰撞截面;

θ——离子束入射角。

式(1)表明,离子溅射产额不但与入射离子能量有关,而且与离子束入射角度、靶材料的原子密度、质量等参数有关。

理论与实验研究发现,离子溅射产额有以下特点:

第一,离子入射能量。对于聚焦镓离子束,能量在30keV以上,其溅射产额就不再有显著变化。因此,聚焦离子束系统一般都工作在5～30keV能量之间。

第二,化学活性气体辅助离子束刻蚀。化学辅助离子束刻蚀的原理,是在待加工样品表面上方通入少量化学活性气体,如氯或氟的化合物等,离子束的轰击使吸附在靶材表面的活性气体电离成离子,然后与靶材料原子产生强烈的化学反应,形成挥发性气体化合物,被聚焦离子束机的真空系统排走。实验发现,化学气体辅助离子溅射速率可比普通离子单纯溅射速率高5～10倍。

第三,离子溅射产额与入射角成非线性关系。离子溅射产额随离子束入射角的增加而增加,在入射角为80°左右达到最大值,继续增加入射角,溅射产额迅速下降,其变化趋势[15]如图7。垂直入射的离子束(入射方向平行于样品的法线方向,入射角为0°)不能获得较大的离子溅射产额,是因为垂直入射的离子产生的反弹原子减少,溅射产额降低。

图7　Ga+轰击碳基底的溅射产额随入射角度的变化曲线

由于离子束溅射产额随入射角度的非线性规律,使得聚焦离子束直写加工曲面等复杂面形微结构时,需要精确对离子束溅射产额进行修正。2004年,Fu等提出了“二维切片”Slice-by-slice技术[16],研究了在光纤端面微尺度菲涅尔镜的高精度直写加工。2006年,Adams和2011年Fujii提出了利用驻留时间修正技术加工正弦微结构[17-18],研究了驻留时间、再沉积等关键加工参数对曲面面形加工精度的影响规律,加工结果如图8所示。

图8　FIB加工正弦曲面微结构

第四,溅射原子再沉积(Re-deposition)影响。聚焦离子束溅射加工过程中,溅射粒子大部分将被真空系统抽走。随着加工深度的增加,被溅射的原子会不可避免地沉积在孔的侧壁表面,称之为再沉积。再沉积现象在利用离子束溅射高深宽比结构时尤为明显,其会影响加工侧壁的陡峭度。

减小再沉积影响的最有效方法是缩短离子束在每一点的停留时间[4],即快速多次重复扫描加工的方法,重复多次扫描可有效将前次产生的再沉积原子溅射去除,如图9所示。图9b和c分别是采用1μs驻留时间、2131次循环加工和 2.131ms驻留时间、单次循环加工的纳米尺度Y形节结构,图9c中存在严重的再沉积影响

随着加工的特征尺寸不断减小,特别是对纳米结构阵列的FIB加工时,再沉积的影响因素将显著增加,包括加工轨迹[19]、扫描方向[12]等。2007年,Ridder等人对比了光栅扫描加工和螺旋扫描加工两种FIB加工轨迹获得的250nm直径、440nm周期的光子晶体结构,发现光栅扫描方式加工的纳米孔两侧壁存在明显斜率差,而螺旋扫描加工轨迹可以有效减小再沉积现象对纳米孔的形状精度影响,见图10。2010年,Fang等在研究V形纳米光栅阵列的FIB直写加工中发现,FIB扫描方向设置会使V形光栅阵列结构的再沉积分布[12]更显著。

图9　FIB加工中的再沉积效应

图10　FIB加工轨迹对纳米尺度光子晶体结构加工

2.2.2FIB纳米直写

随着纳米功能器件制造需求和加工难度的不断增加,对基于聚焦离子束的纳米加工技术提出许多新的挑战。例如,目前FIB加工中最小束流的束斑直径约为10nm,束斑直径已与被加工纳米结构的特征尺寸为同一数量级。因此,相对于微米尺度结构的制造,FIB纳米结构制造中会存在许多新现象和新问题,如显著的纳米尺寸效应等。针对这些FIB纳米加工中的难题,国内外研究人员展开了深入的研究。

传统加工悬空薄膜上小孔的方法是用聚焦离子束直接溅射穿透薄膜,这很难获得直径很小的纳米孔。2006年,Chih等人提出了FIB轰击(雕刻)技术[20],利用低剂量离子束照射悬空薄膜,引起氮化硅薄膜原子向微孔边缘迁移的效应,将直径为几十纳米、形状不规则的孔逐渐雕刻成小于10nm的圆形孔。2005年,日本学者Nagase利用聚焦离子束束流能量高斯分布特点,采用束斑直径为12nm的FIB,在石英基底上的Au/Ti薄膜样品上实现了3～5nm

间隙(nanogap)结构的加工[21],如图11所示。图11a是小于10nm间隙制造原理示意,图11b是加工结果。图11c为32nm线宽光栅结构的制造结果。该技术的核心是精确探测、反馈控制FIB加工时间。通过测量流过金膜电极的电流,一旦金膜被溅射切断,金膜电极间的电阻剧增,立即停止FIB溅射,从而精确控制离子溅射深度。

相对于单条纳米结构的加工,纳米结构阵列的加工难度会显著增加[3]。2010年,Fang等人提出了一种精确判断和校正FIB像散的有效方法[12],通过优化FIB纳米加工工艺,成功实现了32nm线宽阵列光刻掩模结构的加工。

2.3FIB离子注入

离子束注入改性研究是FIB加工的一个基础性课题,相关研究对于深入认识FIB纳米加工及其应用具有重要价值。2009年,MNMT提出了聚焦离子束注入(Focusedionbeamimplantation,FIBI)和XeF2气体辅助刻蚀(Gasassistedetching,GAE)相结合的微纳加工技术[22]。当聚焦镓离子剂量大于1.4×1017ion/cm2时,聚焦离子束注入层中会均匀分布在直径为10～15nm的纳米级颗粒,且该纳米级颗粒层可有效作为XeF2气体腐蚀的掩模。文献[23]中对Ga离子注入单晶硅掩模层的属性开展了深入研究,认为掩模层是镓的氧化物(GaOxorGaSixOy)。MNMT通过高分辨率FE-SEM、TEM显微表征结合XPS表面表征,证明了离子注入层中的纳米级颗粒成分为GaxSiy混合物,Ga团聚改性作用是掩模形成的核心[24]。以聚焦离子束注入层为掩模,利用聚焦离子束XeF2气体辅助刻蚀(FIB-GAE)技术实现了不同微纳米结构和器件加工,例如纳米光栅、纳米电极和微正弦结构等[21],如图12所示。实验结果表明,将FIBI和FIB-GAE相结合的加工方法是灵活而高效的,是一种很有前途的微纳加工技术。

通过上面聚焦离子束纳米加工方法及工艺的研究可以发现,聚焦离子束技术是特色及优势非常显著的纳米加工技术。聚集离子束像一把尖端只有几十纳米甚至几纳米的手术刀,而且其具有纳米级的显微分辨能力,因此,聚焦离子束系统相当于一个可以在高倍显微镜下操作的纳米加工平台,可以用来在指定位置溅射剥离或沉积材料。随着现代加工技术的小型化趋势,聚焦离子束越来越广泛地应用于不同领域中的微纳结构加工。

图12　聚焦离子束注入改性层机理分析

3　FIB纳米制造技术的应用

3.1纳米功能器件制造

3.1.1纳米刃口微刀具制备

随着科技的进步,微光学器件特别是微衍射光学器件越来越显示出其重要的地位。超精密加工技术具有高精度和高效率等优势,是加工微光学器件最合适的加工方法之一。宏观的超精密车刀由于刀具的轮廓和尺寸的限制,导致其在加工大深宽比微结构时,会有部分区域加工不到,残留部分将直接影响微光学器件的衍射效率等光学性能。刃形复杂且刃口锋利的微刀具制备技术已经成为微器件超精密加工的关键。2000年,美国Sandia国家实验室开展了利用聚焦离子束铣削技术,利用高速钢、硬质合金、单晶金刚石等多种刀具材料制备了矩形和锯齿形等微车刀以及多刃微铣刀的制备研究[25],如图13所示。微刀具FIB加工方法相对于传统的精密研磨法,具有精度高、刃形复杂、无残余应力等显著技术特点。2008年,新加坡SIMTech[26]和英国Huddersfield大学[27]先后开展了微刀具FIB制备工艺及其切削工艺的优化研究。

MNMT自2005年成立以来，依据锋利刃口形成的规律，对微刀具制备工艺进行研究和优化，解决了刃口半径无损高分辨率测量的难题，实现了刃口半径小于15 nm的微刀具FIB可重复制造。利用FIBDW灰度加工法，研究了三角形、圆弧形、半圆形及复杂DOE型微车刀的FIB铣削制备的关键工艺[28]，如图10b)所示，并应用于菲涅尔微光学元件的制备中[29]，如图14所示。通过聚焦离子束对金刚石刀具的修锐和修形，开展了微尺度刀具的滚压印母光栅制造及工艺优化研究，实现了微尺度栅距圆柱母光栅的高精度制造[11]，同时分析了微尺度刻划中材料的尺寸效应影响。

图13　FIB加工不同刃形微刀具

图14　圆弧形微刀具加工的菲涅尔反射镜

3.1.2三维微纳功能结构制造

尽管聚焦离子束的离子溅射产额与入射角成非线性关系，成为制约FIB制造高精度三维微纳结构的核心难题，但仍有不少研究做了有效地尝试和探索。FIB在三维微纳功能结构加工中，仍发挥着重要的作用。

基于隧道效应的加速度计由于结构的特点,需要加工出一个具有一定三维取向的亚微米级缝隙,利用缝隙变化时隧道电流的变化可得到加速度值。利用聚焦离子束直写技术便可实现这一特殊需求的加工[3]。图15中用FIB加工出一个倾斜的缝隙,缝宽为400 nm,倾角为45°。通过采用较大离子束流粗加工,然后结合小离子束流精修。

图15　FIB加工加速度计微缝隙

微光学元件的传统二元光学制备法,采用多次光刻和刻蚀工艺,产生多位相台阶结构,且随着台阶数的增加,导致制作难度也加大,对准精度也要求更高。2000年Fu等人提出了使用聚焦离子束直写技术一次成型加工微光学元件(Diffractive optical elements,DOEs)的方法[30-31],包括微型衍射、折射、折衍混合、柱面及椭球面透镜等,如图16所示。该法解决了常规微光学元件制作方法难以实现的微光学元器件集成一体化问题,为光学系统紧凑化和小型化,以及微光学系统的研究开发提供了一条新的有效途径。

图16　FIB直写技术加工的微衍射光学元件

另外，北京大学提出了利用FIB轰击应力引入技术，实现了对薄膜材料的三维功能结构加工，包括不同手性、不同直径和不同材料等微纳尺度螺旋管结构，成为三维纳米结构加工的有力途径之一[32]，如图17所示。

图17　FIB轰击应力引入技术实现三维微纳螺线管制造

Fig. 17FIB bombardment stress introducing technology to achieve three-dimensional micro-nanv solenoid manufacturing

3.2透射电镜样品制备

透射电镜(TEM)分析方法是材料研究的重要手段,而TEM样品为了便于电子能够穿透样品进行成像,需要制作的非常薄(厚度<100 nm),因此,TEM样品制备的难度很大。传统制作TEM样品的方法是机械切片研磨或离子束大面积减薄,用这种方法适合制作大面积样品,且对样品的损伤较大,影响成像精度。采用聚焦离子束则可灵活对样品的指定位置进行“切片”制备TEM样品[33],如微电子芯片中的失效点分析等。FIB制作TEM样品时,预先在指定位置FIB诱导沉积一薄层Pt以保护被观测位置的样品,免于制样过程中FIB的损伤,见图18。相对于机械研磨法,FIB制备法可以显著减小对TEM样品的损伤。

图18　FIB制备TEM样品照片

4　结束语

随着纳米制造应用需求的不断扩展,对聚焦离子束纳米加工技术的发展提供了多方面的机遇和挑战。未来聚焦离子束纳米加工技术的发展主要包括以下两个主要研究方向:

一是高精度和高效率的FIB装备研发,二是FIB纳米加工基础研究。

装置是制造技术发展的基础。如何有效提高FIB的加工效率以及加工精度,是目前制约FIB发展两大瓶颈问题。近年来,FIB生产厂家纷纷面向这两个难题展开设备功能的升级和革新。FEI公司在最新型号的Helios设备中,将聚焦离子束的最大束流从之前的20 nA提高到65 nA,有效提高FIB粗加工的效率。而Zeiss公司在其最新推出的FIB设备中,创新性的将激光束、电子束和离子束三束集成在了一起,激光束的引入将显著提高整个系统的加工效率和应用范围。此外,Zeiss公司推出了He-Ne双离子源FIB系统,相对目前广泛使用的Ga离子源,具有He离子加工分辨率高且兼顾了Ne离子的高效加工两个优势,有望在未来FIB加工及应用中占据重要地位。

可被加工材料的广泛性是FIB的显著优势之一,然而不同种类材料的加工规律亟待深入研究。例如,离子注入损伤、加工单晶金刚石刀具时存在的沟道效应、对金/银薄膜等相对柔软基底加工时结构的形状精度可控性差、TRIM模拟的真实性和有效性等,均需要在未来的研究中深入展开,以期为FIB纳米加工技术提供重要的基础和支撑。

[1]雷源忠. 我国机械工程研究进展与展望[J]. 机械工程学报, 2009, 45(5): 1-11.

[2]王国彪. 纳米制造前沿综述[M]. 北京： 科学出版社, 2009.

[3]崔铮. 微纳米加工技术及其应用[M]. 2版. 高等教育出版社, 北京, 2009: 5

[4]UTKE I, MOSHKALEV S, RUSSELL P. Nanofabrication using focused ion and electron beams: principles and applications[M]. Oxford: Oxford University Press, 2012.

[5]TSENG A A. Recent developments in micromilling using focused ion beam technology[J]. J Micromech Microeng, 2004, 14(4): 15-34.

[6]LIANG P, PARK Y, XIONG Y, et al. Maskless plasmonic lithography at 22 nm sesolution[J]. Scientific Reports, 2011, 1: 175.

[7]LIN Y Y, LIAO J D, JU Y H, et al. Focused ion beam-fabricated Au micro/nanostructures used as a surface enhanced raman scattering-active substrate for trace detection of molecules and influenza virus[J]. Nanotechnology, 2011, 22: 185308.

[8]顾文琪, 马向国, 李文萍. 聚焦离子束微纳加工技术[M]. 北京： 北京工业大学出版社, 2006： 12.

[9]REYNTJENS S, PUERS R. A review of focused ion beam applications in microsystem technology[J]. J Micromech Microeng, 2001, 11: 287-300.

[10]REO KOMETANI, TAKAYUKI HOSHINO, KAZUHIRO KANDA, Three-dimensional high-performance nano-toolsfabricated using focused-ion-beam chemical-vapor-deposition[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res B, 2005, 232: 362-366.

[11]VOLKERT C A, MINOR A M. Focused ion beam microscopy and micromachining[J]. Mrs Bulletin, 2007, 32: 389-399.

[12]LI G H, XU Z W, FANG F Z, et al. Micro cutting of V-shaped cylindrical grating template for roller nano-imprint [OL]. [2012-12-10]. J Mater Process Tech, 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.

[13]FANG F Z, XU Z W, HU X T, et al. Nano-photomask fabrication using focused ion beam direct writing[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2010, 59(1): 543-546.

[14]Revolutionary beam control and extreme field of view imaging[EB/OL]. [2013-03-03]. http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2563.

[15]张少婧. 基于聚焦离子束技术的微刀具制造方法及关键技术的研究[D]. 天津: 天津大学, 2009.

[16]FU Y Q, BRYAN N K A. Fabrication of three-dimensional microstructures by two-dimensional slice-by-slice approaching via focused ion beam milling[J]. J Vac Sci Tech B, 2004, 22: 1672-1678.

[17]ADAMS D P, VASILE M J. Accurate focused ion beam sculpting of silicon using a variable pixel dwell time approach[J]. J Vac Sci Technol, 2006, B24(2): 836-844.

[18]FUJII A, SUZUKI H, YANAGI K. Development of measurement standards for verifying functional performance of surface texture measuring instruments[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 311(1): 012009.

[19]HOPMAN W C, AY F, HU W B, GADGIL V J, et al. Focused ion beam scan routine, dwell time and dose optimizations for submicrometre period planar photonic crystal components and stamps in silicon[J]. Nanotechnology, 2007, 18: 195305.

[20]CHIH J L, AREF T, BEZRYADIN A. Fabrication of symmetric sub-5 nm nanopores using focused ion and electron beams[J]. Nanotechnology, 2006, 17(13): 3264-3267.

[21]NAGASE T, GAMO K, KUBOTA T, et al. Maskless fabrication of nanoelectrode structures with nanogaps by using Ga focused ion beams[J]. Microelectronic Engineering, 2005, 78/79: 253-259.[22]XU Z W, FANG F Z, FU Y Q, et al. Fabrication of micro/nano structures using focused ion beam Implantation and XeF2gas assisted etching[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(5): 054003.

[23]SCHMIDT B, OSWALD S, BISCHOFF L. Electrochem[J]. Soc, 2005, 152: G875-G879.

[24]XIAO Y J, FANG F Z, XU Z W, et al. The study of Ga+FIB implanting crystal silicon and subsequent annealing[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2013 (In press).

[25]ADAMS D P, VASILE M J, KRISHNAN A S M. Microgrooving and microthreading tools for fabricating curvilinear features[J]. Precision Engineering, 2000, 24: 347-356.

[26]DING X, LIM G C, CHENG C K, et al. Fabrication of a micro-size diamond tool using a focused ion beam[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(7): 075017.

[27]SUN J, LUO X C. Fabrication of periodic nanostructures by single-point diamond turning with focused ion beam built tool tips[J]. J Micromech Microeng, 2012, 22(11): 115014.

[28]ZHANG S J, FANG F Z, XU Z W, et al. Controlled morphology of microtools shaped using focused ion beam milling technique[J]. J Vac Sci Technol: B, 2009, 27 (3): 1304-1309.

[29]XU Z W, FANG F Z, ZHANG S J, et al. Fabrication of micro DOE using micro tools shaped with focused ion beam[J]. Optics Express, 2010, 18: 8025-8032.

[30]FU Y Q, BRYAN N K A. Investigation of direct milling of micro-optical elements with continuous relief on substrate by focused ion beam technology[J]. Optical Engineering, 2000, 39(11): 3008-

3013.[31]FU Y Q, BRYAN N K A. Investigation of diffractive/refractive microlens array fabricated by focused ion beam technology[J]. Optical Engineering, 2001, 40 (4): 511-516.

[32]XIA L, WU W, XU J, et al. 3D nanohelix fabrication and 3D nanometer assembly by focused ion beam stress-introducing technique[C]//19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems MEMS, 2006: 118-121.

[33]FANG F Z, CHEN Y H, ZHANG X D, et al. Nanometric cutting of single crystal silicon surfaces modified by ion implantation[J]. CIRP Ann-Manuf Techn, 2011, 60(1): 527-530.

(编辑徐岩)

Technology and progress of nano machining using focused ion beam

FANGFengzhou,XUZongwei

(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments, Centre of Micro Nano Manufacturing Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The continuously developing nanotechnology gives an increasing prominence to nanometer manufacturing of core functional device, which functions as a bridge between the relevant design and application research. The focused ion beam machining represents an important technology for nanoscale manufacturing. This paper starts with an overview of the, and of the development of method and key technology of FIB nano machining and the discussion of sputtering yield, redeposition and FIB nano direct writing method and so on, proceeds to the typical applications of FIB nano machining technology in the areas of basic research and manufacturing nanometer functional device, and ends with the development prospect in the different view of the gear and mechanism.

chrome wear-resisting cast iron; metallography of friction; nanometer modification

2013-03-26

房丰洲(1963-)，男，黑龙江人，教授，博士生导师，研究方向：超精密加工基础理论与技术，E-mail:fzfang@gmail.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.001

TG664

1671-0118(2013)03-0211-11

A