由于新的离子源技术的发展，聚焦离子束（FIBs）的用户与行业标准的Ga +液态金属离子源相比，可以获得更好的性能。配备电感耦合等离子体（ICP）离子源的FIB能够更好地进行大体积切削应用，提供高达2μA的Xe +离子聚焦到5μm以下的点。然而，ICP FIB目前在1pA时的成像分辨率仅限于15nm。气场电离源（GFIS）依赖于一个只有单个原子大小的离子源，并通过其非常小的源尺寸相应地获得高亮度。高亮度使GFIS能够产生非常小的聚焦探针尺寸（He的尺寸小于0.35nm），但光束电流相对较小（小于2pA）。激光冷却技术的新一代高精度低温铯离子（Cs+）源FIB系统，在1pA的条件下，预计焦点尺寸为亚纳米，最大电流可以达到为10nA以上，并有可能提供综合二次离子质谱分析能力。
1、液态金属离子源性能指标
聚焦离子束（FIB：Focused ion beam）仪器服务于各种不同的加工应用，其能力在很大程度上取决于系统配置的离子源技术。离子源技术的特点是可用的离子种类、发射稳定性、在给定的聚焦探针内可以达到的束流以及聚焦探针的尺寸。后面两个特点主要取决于离子源的亮度降低（以Am-2 sr-1 V-1为单位）和能量扩散（以eV为单位）。作为参考和比较，使用最广泛的FIB源，镓液态金属离子源 (LMIS)，其特点如下：LMIS可用的离子种类主要是镓，通过主动控制方案，这种离子源可以在长达几天的时间内相对稳定（这取决于使用情况）。Ga-LMIS的reduced brightness参数通常被认为是106 Am-2 sr-1 V-1,能量扩散大约为5eV。传统上镓FIB系统在要求1pA小电流情况下可达到5 nm及以下聚焦探头尺寸。在探针尺寸为40纳米条件下，可实现1nA高电流聚焦光束。Ga-LMIS作为一种成熟技术已被人们所熟知，它在材料，生物等领域有多种成熟FIB或者Cryo-FIB用途。
一、稳定发射的条件：
- 发射表面具有一定的形状，从而形成一定的表面场。
- 表面电场足以维持一定的发射电流与一定的液态金属流速。
- 表面流速足可使发射电流所对应的物理流量损失得以保持，因而使发射面保持某种形态。
- 最关键条件是液态金属与钨针尖具有良好的浸润性。
二、离子源特点：
- 有一临界发射阈值电压，该阈值电压由液态金属类型，针尖半径及针尖锥度决定，其阈值通常大于2KV。当电压高于阈值电压时发射电流迅速增大。
- 空间发射角较大，对各种液态金属离子源的测量结果表明，离子束的发射自然角一般在30°左右，随着发射离子的增加，发射角也增加，大发射角会使离子流降低。
- 角电流密度分布较均匀。
- 离子能量分散大，液态金属离子源所发射离子能散通常约为15eV,且能散随发射电流增大而增大，能散增大将导致离子光学系统色差变大。
- 液态金属离子源质谱分析显示低束流条件下（<10uA）单电荷离子占比接近100%；多电荷离子随束流的增大而增大、离子团和带电液滴所占比例增大对聚焦离子束应用不利。
2、感应耦合等离子体离子源（Inductively coupled plasma ion source）工作原理
图1显示了电感耦合等离子体（ICP）离子源的横截面示意图。圆柱形的等离子体室外面包裹着一个螺线管天线，天线和等离子体室之间有一个法拉第屏蔽罩。射频（RF:radio frequency）电流通过天线，使等离子体外壳产生一个方位感应磁场，使等离子体电子加速。RF的频率大大低于等离子体的电子谐振频率（几千兆赫），但通常高于等离子体的离子谐振频率（几兆赫），这就使电子基团被加热，而离子保持在接近室温的状态。法拉第屏蔽有许多纵向切口，其目的是使屏蔽内涡流及功率损耗最小化，而用来结束天线上所存在电压引起的时变电场。因此，该布置使从天线到等离子体的电容耦合最小化，同时使感应功率耦合最大化。
感应场将等离子体外部"Skin"中的电子加速到足以引起贮存气体电离的动能。该等离子体创建过程可以应用于各种等离子体气体中，并已被证明可以创建高达1×1013cm-3（Xe+）等离子体密度的离子源reduced brightness（能量归一化亮度）是1×104Am-2sr-1V-1。由于等离子体室中的老化效应可以忽略不计，源可以连续工作（只要气体供应保持不变），提供小于±0.5% h–1的束流稳定性，5eV (Xe+)，使用寿命超过两年。
ICP通常用于产生惰性气体离子，如: 氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氙(Xe)。对于大体积的离子束加工，ICP产生的氙离子提供最高的溅射产量和最高的电流密度。
图2显示了最佳束斑尺寸与切削速度（um3/minute）的关系，比较了LMIS（Ga+）和ICP（Xe+）30 keV聚焦光束在正常光束入射下对硅基材的溅射。当Ga+光束电流超过6nA（图2中为100μm3/min）时，由于Ga-LMIS的角度强度（≈15μA/sr）相对较低，与ICP源（≈10mA/sr）相比，有效光束亮度（在目标处测量）骤然下降。
Xe ICP FIB提供更高的切削速度，目前的应用包括：
1. 大面积的横截面，用于半导体设备的失效分析，如bonded wafer、through silicon vias (TSV)solder balls和microelectromechanical systems device。金属样品和地质材料的大面积横截面分析也是可行的。
2. 各种微米到毫米级的结构的微机械加工，如带电粒子束的孔隙和狭缝。事实上，在激光和/或微放电加工不可行的情况下，现在可以进行广泛的加工应用。
3. 事实证明1-2μm光斑尺寸可实现的高光束电流对一些电路编辑应用亦有好处（如隔离射频芯片表面天线，切割沟槽切断下层金属线等），在上述应用场合下，下层表面特征需移除比较多的素材进行编辑。在微米级编辑要求下,Xe ICP FIB速度可远快于低电流Ga+FIB,同时还具有不在溅射坑附近形成Ga离子注入等优点。
图3描述了所列应用程序的一个例子（即TSV的故障分析）。此图为一排5×50μm TSV的电极，部分电极内充填电沉积铜。用1μA 25keV Xe+离子束从试样边缘铣出体积为600×100×50μm3的硅，不到一个小时。FIB在试样下侧进行切割，以免将局部充填通孔掩盖。
表I：显示了当今使用的常见离子束种类的降低的亮度和能量扩散。决定源亮度的关键等离子体参数是等离子体密度和热离子能量分布，根据公式(1)，其中n i是等离子体离子密度，E⊥是平均热离子能量。
3、气场电离源(GFIS：Gas field ionization source)工作原理
GFIS的基本原理很简单：足够强的电场能把一电子从中性气体原子上剥离成正离子。这一过程也就是场电离的量子力学解释是：电子受大电场作用隧穿中性原子。对氦原子而言，在44V/nm附近的电场强度下电离概率变得非常明显。这一巨大电场可在靠近尖头针顶点处实现，此针与邻近拔出电极形成正向偏压。当针尖足够锋利（曲率半径为100nm）时，只要施加适度的电压（+20kV），就能产生所需的电场。当少量的气体进入这个区域时，电场电离过程就可以进行，离子的产生速度一般为108s-1。每个新产生的离子发现自己处于一个非常强的电场中，并迅速加速离开needle，向拔出电极移动。为了便于观察，可以在拔出后引入一个闪烁体来观察发射模式（图4）。
尽管这个概念看起来很简单，但GFIS直到2005年才作为一种离子源被商业化。一些关键的进步包括对发射器形状的控制和对施加电压的精确控制，以便在非常小的体积内经历必要的电场强度。在合适的条件下，必要的电场只存在于发射器上最突出的三个原子（"三聚体trimer"）上方的圆盘状体积中。据估计，这些电离盘的体积只有几个立方埃，但以每秒约108个离子的速度产生，这样的组合对产生高亮度的光束至关重要。小电离体积也意味着全部离子是以近乎一致的静电势生成的，这就形成了能量分布狭窄的离子束。还有一些重要启用特点，就是可以在稳定离子束需要很长一段时间才能维持发射器原子排列。通过将低温冷却，超高真空，超高气体纯度等技术组合在一起，满足了上述需求。
气场离子源的特性非常适合产生极小的聚焦探头尺寸。在30千伏的拔出电压下，reduced brightness的测量值为大约109Am-2sr-1V-1。这个显著的高值主要归因于产生离子的非常小的区域。估计GFIS光束能量扩散大约为1 eV的半高宽，小到足以限制色差的潜在问题。而且与大多数离子束一样，衍射效应对整个聚焦探针的尺寸只有很小的贡献。基于上述原因，两个静电透镜与一个偏转线圈构成的比较简单的镜筒使得GFIS可以产生小到0.35nm（He）,1.9nm（Ne）聚焦探针大小。这类小型离子束非常适合纳米尺度高分辨率成像与制作。但因发射电流总量有限；Trimer发射电流总量一般仅为100pA,且仅有一个发射点很小一部分被孔径所选，一般让低于5pA离子束流进入试样。要实现前文所述最高分辨率就需要将探针束流控制在0.5pA或者更低。很明显该技术不适用于要求高去除率切削应用场合；它比较适用于要求探针尺寸最小的用途，例如成像、纳米级别处理等。GFIS技术用离子束可利用种类有一定局限性。目前，氦气在高对比度和表面特异性的样品成像方面是很成熟的，如图5所示。这里的对比度是形貌对比度和表面不同的化学成分的组合。还可以使用具有额外Ne能力的仪器，并为纳米加工提供高溅射率。然而，其他气体种类不太适合 GFIS 技术，因为它们会在所需的低温下通过化学侵蚀或冷凝损害排放稳定性。
4、低温离子源（LoTIS：Low Temperature Ion Source）工作原理
近两年来，一种新型离子源被推向商品化市场，它是利用激光冷却气态铯（Cs）的光离子化作用产生Cs+束。这里称为低温离子源（LoTIS）。LoTIS是基于其他概念相似的使用激光冷却系统而发展起来的。LoTIS条件下气态原子由一个或者几个激光束发射的光子光离子化后再由外加电场加速产生离子束。图6所示为LoTIS基本概念图。离子束一旦形成，就可以通过静电偏转器和透镜聚焦到目标上，其聚焦方式与其他FIB系统类似。
一、低温离子源(LoTIS)
1.Colder Atom(更冷的原子)
LoTIS在激光冷却领域利用诺贝尔奖获得者的技术率先制造了极冷原子束只有绝对零度几百万分之一！再将此原子束于电场作用下光电离形成极冷离子束。用离子去热的方法来消除随机性，使用LoTIS后,FIB会使离子束聚焦更加明显。
Brighter Ions(更亮的离子)
用稍微更多的技术术语来说，LoTIS比行业标准技术液态金属离子源 (LMIS) 具有更高的亮度和更小的能量散布。更高的亮度可以在更小的聚焦点上提供更多的电流，而减少的能量扩散可以减轻色差。结果是用于FIB应用的离子源，可在广泛的束能量范围内提供高精度操作。
二、LoTIS中亮度的基本方程是：
J为离子源输出离子束横截面上电流密度；kB为玻尔兹曼常数；T为离子在横截面上温度。考虑到此类系统最容易实现来理解达到源亮度所需的J,T值有助于得到远大于LMIS（106Am-2sr-1V-1）的亮度。电流密度J由中性原子密度及激光在其上电离效率确定。
考虑一个简化的系统，即在一定压力下的原子如果通过薄薄的激光片就会被电离。在这种情况下，对J的简单估算可以写成：
其中P为气体压力,m为原子质量。对常温下7×10-4帕的压力（5×10-6托）来说，这就意味着亮度小于40 Am-2sr-1V-1而远低于LMIS。所以高亮度运行要求电流密度有较大提高或者温度有较高降低。激光冷却可以显着降低达到高亮度时需要的温度。实现这一点的关键思想是，如果光离子化激光器在电离阈附近进行适当的调谐，其产生的离子的速度分布将与中性原子的速度分布几乎相同。
在Cs+ LoTIS中，原子首先从low pressure 背景蒸汽中被捕获并形成高通量的原子束，然后使用磁光捕集技术进行压缩。该原子束是用optical molasses技术进行冷却，最后进行光离子化（optical molasses是一种激光冷却技术，可以将中性原子冷却到比磁光阱（MOT）更冷的温度。optical molasses由3对反向传播的圆偏振激光束组成，这些激光束在原子存在的区域中相交。）。在它最简单的一种形式里,optical molasses包括一对方向相反且相互重叠的激光束；每个需要降温的大小为1对。这些光束调谐至稍低于原子共振。optical molasses制造出类似粘性且和速度相关的作用力使得原子趋近于静止。这种原子收集、压缩和冷却技术可以在源头产生离子的部分保持低于10-6Pa的本底压力的情况下，产生一个冷的、致密的（高于1017m-3）原子群。最近，演示了一个J=0.16Am-2和T=30μK的系统，生成了一个亮度大于107Am-2sr-1V-1的Cs+源。
并非所有原子种类都可适用于LoTIS，因为并非所有原子都适合激光冷却；碱金属可以全部冷却，稀有气体和其他几种金属（如Cr和Er）也可以冷却。使用这些原子种类中的一些可以将温度降低到100μK 以下。然而，在同一系统中的原子之间切换提出了重大挑战，因为每个原子都需要自己的一组激光器来进行冷却和光电离。此外，元素之间可实现的密度和温度差异很大。
LoTIS比其他多数离子源具有更少的能量扩散，有利于分析性能的改善，特别是束能量及束流较低时。像其他使用静电透镜的FIB系统那样，为了达到最佳焦斑尺寸，色差必须减小到最小；这些像差正比于离子束内能量的分布。LoTIS条件下能量扩散相当于加速离子所用电场与源沿程物理范围之和。这个大小是根据电离激光器大小来确定的，一般聚焦在几个微米。对105V·m数量级的电场而言，即能量扩散到非常几eV时，显然比LMIS好，类似GFIS。
市场推出的新一代高精度低温Cs离子源FIB系统采用了全新的高性能Cs离子源。系统亮度高、体积小、能量散失少。从而实现了成像较清晰，加工精度较高，样品损伤较小。还明显降低维护难度及使用成本。相对于Ga系统而言，即使光束能量很低，也能提供很好的分辨率。相对于He或Ne系统而言，其提供的切削速率较高，对样品损坏较小，同时可提供一种新型对比机制，二次离子产率较高。这种型号FIB很适用:
- 高分辨率溅射
- 使用二次电子或离子成像
- 气体驱动的沉积和去除
- 电路编辑
三、特征
- Cs 离子束，在10keV时具有2nm分辨率
- 1pA至10+ nA离子束束流
- 2 keV至18 keV 束流能量
- 提供大多数行业标准附件
还展示了一种新的纳米级聚焦离子束（FIB），该聚焦离子束基于在磁光阱（MOT）中保持在毫开尔文温度的光电离激光冷却原子。这一新型离子源拓展了FIB中可利用离子的类型及可利用离子束能量，强化了其在纳米级表征与制作中的主要作用之一。
5、总结
这里介绍的离子源技术在某些方面扩展了传统Ga LMIS的能力。这些改进包括更高的亮度、更低的能量扩散，以及使用替代离子种类或这些的某种组合进行操作的能力。有些新技术，其作用与应用尚处于探索阶段。具体而言，在LoTIS中融合步骤包括和FIB镜筒进行融合以及显示出期望高性能切削。在GFIS方面，目前正研究改善可利用束流及替代离子类型。这些新型离子源应用于FIB系统后，可使应用范围扩大至新型应用或者提高较成熟离子源性能。相对于Ga LMIS,上述优点可望在具体应用上得到商业上的承认。
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