聚焦离子束一电子束(FIB-SEM)双束系统原理

纳米科技是当前科学研究的前沿领域，纳米测量学和纳米加工技术在其中扮演着至关重要的角色。电子束和离子束等工艺是实现纳米尺度加工的关键手段。特别是聚焦离子束（FIB）系统，通过结合高强度的离子束和实时观测技术，为纳米器件的制造和加工提供了新的可能性。本文将详细介绍聚焦离子束系统的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。

一、聚焦离子束系统的结构与原理

1. 系统结构：聚焦离子束系统的核心是离子柱，位于样品室顶部，包含液态金属离子源、聚焦装置、束流限制和偏转装置等。样品室内设有五维可调样品架，实现多方向分析和处理。

2. 工作原理：离子柱尖端的液态离子源在强电场作用下提取带有正电荷的离子，通过静电透镜和四极/八级偏转装置进行聚焦和扫描。系统在高真空状态下工作，以防止离子束受到气体分子的影响。

二、聚焦离子束的应用：

为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

1. 离子束成像：利用探测器接收激发出的二次电子来成像，聚焦离子束轰击样品表面，激发出二次电子、中性原子、二次离子和光子等。与扫描电子显微镜相比，离子束成像能更真实地反映材料表层的详细形貌。

2. 离子束刻蚀：包括物理离子束刻蚀和反应离子束刻蚀，通过离子束的动量传递和化学反应实现材料的刻蚀。适用于纳米级材料的加工，如氧化锌纳米带的刻蚀。

图2. 光纤上精确刻蚀的线宽140 nm的周期结构。Bar：2um

3. 离子束沉积薄膜：利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料和非金属材料。通过气体注入系统将金属有机物气体喷涂在样品上，离子束能量使有机物分解，固体成分被沉积下来。

图3. 气体注入沉积工作原理图

4. 离子注入：利用聚焦离子束系统进行无掩模注入离子，精确控制注入的深度和广度。与传统掩模注入法相比，节省成本和加工时间。

图4. FIB在Can衬底上沉积的SiO2：环形结构。Bar=2um

5. 透射电子显微镜样品制备：利用聚焦离子束技术精确定位样品，减少因离子束轰击而引起的损伤。通过在样品保留区域上沉积一层Pt，保护该区域并逐步调整聚焦离子束的束流，实现高质量的“薄墙”制备。

图5. 透射电镜精确定位样品制备示意图

图6. 透射电镜样品制备实例

图6是透射电镜样品制备实例。利用其微加工和定位功能辅助透射电镜制样，大大缩短了精确定位透射电镜样品制备时间，提高了制样精确度和成功率。结合扫描电镜、透射电镜、x射线能谱和二次离子质谱等可在微米、纳米尺度进行微区剖面形貌、结构和组分析旧引，极大地支持了微纳米器件工艺评价和失效分析工作。

三、聚焦离子束电子束双束系统

1. 系统优势：结合了聚焦离子束和电子束的优点，避免了各自的缺陷。扫描电子束可中和离子束轰击在样品表面残留的正电荷，反之亦然。

图7. 聚焦离子束电子束双束系统结构示意图

2. 应用领域：广泛应用于纳米科技、材料科学和生命科学领域的研究。配备X射线能谱（EDX）和背散射电子衍射仪（EBSD）进行微区成分分析和材料结构分析。

四、展望

1. 技术挑战：随着集成电路器件体积的减小和密度的增加，分析设备的空间分辨率和杂质探测灵敏度要求越来越高。

2. 技术进步聚：焦离子束技术在集成电路、半导体产业等领域的应用促进了其自身技术的进步，技术指标不断提高，应用范围更为广泛。

聚焦离子束系统在纳米科技中的应用不仅推动了相关领域的发展，也为其自身的技术进步提供了动力。随着技术的不断成熟和应用领域的扩展，聚焦离子束系统将在未来的纳米科技研究和生产中发挥更加重要的作用。