FIB技术原理



聚焦离子束（Focused Ion Beam，简称 FIB）技术作为一种前沿的纳米级加工与分析手段。它巧妙地融合了离子束技术与扫描电子显微镜（SEM）技术的优势，凭借其独特的原理、广泛的应用场景以及显著的优势，成为现代科学研究与工业生产中不可或缺的重要工具。


聚焦离子束技术的核心是液态金属离子源。液态金属离子源由一个半径为2～5μm的钨尖组成，钨尖被尖端上方加热融化的液态金属储层浸湿。在尖端和靠近尖端的电极之间施加电场后，表面张力和相反电场力共同作用，在尖端上方形成一个尖锥，即泰勒锥，其尖端半径约为2 nm。

当电压达到一定阈值时，锥端形成射流，金属离子在电场作用下电离，并通过场蒸发过程逸出形成离子流。这些离子流通常可以加速到0.5～30 kV的能量，并通过静电透镜聚焦到样品表面。当离子束与样品相互作用时，会产生级联碰撞导致溅射。此时，探测器会收集产生的二次电子和二次离子，用于成像。由于主高能离子的质量远大于高能电子，因此FIB技术具备在特定位置溅射材料的能力。


目前，可用的液态金属离子源材料包括Al、As、Cu、Ga、Ge、Pd、Sn和Zn等。其中，金属镓（Ga）作为源材料具有诸多优点，如熔点略高于室温、挥发性低、与尖端材料的反应性低、蒸气压低、真空和电气稳定性高，以及发射期间的能量扩散小等。这些特性使得镓成为离子束系统的主要源材料。

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FIB技术的原理可以通过以下几种示意图来直观展示：(a) FIB-SEM双束系统工作原理示意图，展示了FIB与扫描电子显微镜（SEM）的结合方式；(b) Ga离子束与样品的相互作用示意图，揭示了离子束与样品相互作用的微观过程；(c) 采用FIB离子束刻蚀样品的示意图，直观呈现了刻蚀过程；(d) 利用FIB离子束和GIS系统在样品表面进行诱导沉积的示意图，展示了沉积过程。


FIB技术应用


FIB技术最初主要应用于半导体行业，用于芯片的失效分析和电路修复。20世纪80年代末，FIB技术开始被逐渐用于定点显微切割样品的目标区域，专门制备透射电镜分析所需的超薄片样品。


随后，FIB技术被引入地学研究领域，成为制备岩石样品TEM超薄片试样必不可少的工具，并开始应用于原子探针针尖样品的制备。


近年来，随着FIB技术的不断发展，它与高性能的场发射扫描电镜（FE-SEM）、能量色散谱仪（EDXS）、质谱仪（MS）等附件相结合，实现了切割、成像、化学分析的一体化。此外，FIB技术与低温技术相结合，可实现低温或者特殊环境条件下的切割、成像和分析。


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1.纳米加工


FIB技术可以用于直接“雕刻”微观和纳米尺度的结构，如量子点、纳米线和微流体器件。这种能力使得FIB在纳米材料的设计和制造中发挥着关键作用，为纳米技术的发展提供了重要的技术支持。


2.样品制备


在透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分析中，FIB是制备超薄样品截面的理想选择。通过FIB技术，可以精确地切割出所需的样品区域，为后续的微观结构分析提供高质量的样品。


3.三维重构


通过逐层切割和成像，FIB技术可以构建材料和生物样品的三维结构。这种三维重构能力对于理解材料的微观结构和生物样品的内部组织具有重要意义，为材料科学和生命科学的研究提供了新的视角。


4.集成电路修改和修复


FIB技术允许对芯片进行局部修改，包括连接路径的切断和重建。这使得FIB成为电路设计验证和故障分析的重要工具，为半导体行业的研发和生产提供了有力的支持。


5.原位实验


结合其他分析技术（如EDS、EBSD），FIB系统可以进行原位实验，如观察材料在不同条件下的相变、裂纹扩展等现象。


FIB技术特点


操作简单、前处理步骤少：与传统的样品制备和分析技术相比，FIB技术的操作过程相对简单，前处理步骤较少。


定点微纳尺度精准切割：FIB技术可以实现定点微纳尺度的精准切割，尺寸可控，厚度均匀。


切割、成像、化学分析一体化：FIB技术不仅可以进行样品的切割和制备，还可以通过收集二次电子和二次离子实现成像，并结合其他分析设备进行化学分析。