一文了解聚焦离子束（FIB）技术及联用技术-电子发烧友网

聚焦离子束（FIB）技术凭借其独特的原理和强大的功能，成为微纳加工与分析领域不可或缺的重要工具。

FIB 如何工作

聚焦离子束（FIB）技术是一种先进的微纳加工技术，其核心在于液态金属离子源，通常使用镓作为离子源材料。

通过电场激发，液态金属离子源能够生成稳定的离子流。随后，利用静电透镜系统，将离子束聚焦至直径仅几纳米的极细束斑。

当这束高能离子束轰击样品表面时，会引发一系列复杂的物理和化学反应，主要包括溅射、离子植入以及二次电子 / 离子发射。溅射效应使得样品表面的材料被移除，从而实现对样品的刻蚀加工；离子植入则可以改变材料内部的结构和性质；而二次电子和二次离子的发射则为成像和分析提供了重要信号。这些相互作用机制共同赋予了 FIB 在纳米尺度上对样品进行精确加工和深入分析的能力，使其能够在微观世界中施展“魔法”。

FIB 的主要功能

FIB 技术的主要功能涵盖了高分辨率成像、精确刻蚀、材料沉积以及分析等多个方面，这些功能相互配合，使其在众多领域大显身手。

1.FIB 的成像功能主要依靠收集二次电子或二次离子信号来实现。

当离子束作用于样品表面时，会激发样品产生二次电子和二次离子，通过专门的探测器收集这些信号，经过处理后可以生成样品表面和内部结构的清晰图像。其分辨率之高，可达亚纳米级，能够揭示样品微观结构的细节，为研究人员提供直观的视觉信息，帮助他们更好地理解材料的微观特性。

2.刻蚀功能是 FIB 的一大亮点，它能够以纳米级的精度移除样品表面的材料。

这一功能在制备透射电子显微镜（TEM）样品时发挥着关键作用，可以将样品加工成超薄的薄膜，以便进行高分辨率的内部结构分析。此外，在微电路的修改和修复中，FIB 的精确刻蚀能力也能够精准地去除多余的材料或切断特定的电路连接，实现对微电路的精确调整。

3.FIB 的材料沉积功能通过引入特定的气体，如含金属前驱体气体，在样品表面沉积材料。

这一功能可用于修复样品表面的缺陷，例如在微电路中填补断裂的连接或修复受损的结构。同时，它还可以构建各种功能结构，为纳米器件的制造提供了有力支持，使得研究人员能够在微观尺度上设计和构建具有特定功能的材料和结构。

4.FIB 的分析功能则结合了能量色散光谱（EDS））等技术，能够对材料的元素组成和晶体结构进行深入表征。通过 EDS 分析，可以确定样品中不同元素的分布情况，为材料的成分分析提供准确数据。

FIB 技术与其他技术的结合

FIB 技术的多功能性和灵活性使其能够与其他多种技术相结合，形成更为强大的联合技术系统，从而拓展其应用范围和提升应用效果。

FIB - SEM 结合

FIB - SEM 系统将离子柱和电子柱整合于一体，形成了一种双束显微镜，这种结合方式在样品制备和成像分析方面展现出了巨大的优势。

在样品制备过程中，首先利用 SEM 定位感兴趣的区域，确保加工的精确性。然后在目标区域沉积一层铂保护层，以防止离子束直接损伤样品表面。

接下来进行 FIB 铣削，分为粗铣削和精细铣削两个步骤。粗铣削使用高电流（如 10 nA），能够快速移除大量材料；而精细铣削则使用低电流（如 100 pA），对表面进行抛光，确保其平整度，使其适合进行高分辨率成像或作为 TEM 样品的制备。对于三维断层成像，FIB 逐层铣削（每次移除几十纳米），同时 SEM 同步进行成像，通过这种方式可以重建样品的三维结构。在制备过程中，样品需要固定在导电基底上，以避免充电效应影响 SEM 的成像质量，并且通过二次电子图像实时监控铣削进度。

FIB - SEM 提供的高分辨率二次电子和背散射成像，分辨率可达亚纳米级，能够清晰地表征样品的形貌和微观结构。

三维断层成像技术通过 FIB 逐层铣削和 SEM 连续成像，实现了纳米级的三维结构重建，在材料科学和生物学等领域有着广泛的应用。

FIB - TEM 结合

FIB - TEM 结合则是利用 FIB 的精确铣削能力，为透射电子显微镜（TEM）制备超薄样品，从而支持原子级分辨率的内部结构分析。FIB - TEM 技术支持亚埃级分辨率的原子成像，能够清晰地揭示晶界、缺陷和纳米颗粒等微观细节。结合选区电子衍射（SAED），可以对晶格结构和取向进行精确分析；配合 EDS 技术，则可进行元素分布映射，进一步深入了解材料的微观特性。在材料科学领域，FIB - TEM 广泛用于表征纳米结构和界面，为新型材料的研发和性能优化提供了重要依据。在半导体行业中，它用于分析晶体缺陷和器件结构，对于提高半导体器件的性能和可靠性具有关键作用。在实际应用中，需要对铣削参数进行优化，并采用低温操作等措施，以减少镓植入或样品非晶化对 TEM 图像质量的影响，从而获得更为准确和可靠的分析结果。聚焦离子束（FIB）技术以其独特的原理和强大的功能，在微纳加工与分析领域展现出了巨大的潜力和广泛的应用前景。