摘要
结合聚焦离子束(FIB)技术和扫描电子显微镜(SEM)的FIB-SEM双束系统,通过整合气体注入系统、纳米操控器、多种探测器以及可控样品台等附件,已发展成为一个能够进行微观区域成像、加工、分析和操控的综合分析工具。该系统的应用已经从半导体行业扩展到材料科学、生命科学和地质学等多个领域。
本文带你了解FIB-SEM双束系统中的核心概念和基础原理,了解其在材料科学中的典型应用案例,如透射电子显微镜(TEM)样品的制备、微纳尺度力学测试样品的制备以及材料的三维成像和分析。
历史背景
1978年,美国加州休斯研究所开发了世界上第一台以液态金属镓(Ga)离子为发射源的聚焦离子束(FIB)系统。1988年,首台FIB-SEM双束系统成功面世,20世纪90年代,商业化的双束系统开始普及。
随着技术的发展,FIB-SEM双束系统不断集成新型探测器、微纳操控器和测试装置,成为功能强大的综合分析与表征设备,其应用范围也从半导体行业扩展到更广泛的领域。
系统构成与原理
FIB-SEM双束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台五部分构成。离子源在顶端产生带正电的离子,通过静电透镜和偏转装置实现对样品的可控扫描。样品加工通过加速离子轰击样品实现,产生的二次电子和离子由探测器收集用于成像。为保证离子束不受气体分子影响,样品腔和离子束镜筒需在高真空条件下工作。
典型 FIB-SEM 双束设备示意图
液态金属镓离子源的实物照片
应用领域
1. TEM样品制备:利用FIB-SEM双束系统在感兴趣的样品区域内制备高质量的TEM样品,包括非提取法和提取法两种方式。
a. H 形减薄样品的侧视照片 b. H 形减薄样品的俯视照片
2. 微纳尺度力学性能测试样品制备:FIB用于加工各种几何形状的力学测试样品,以实现对微纳尺度材料力学性能的高精度测量。
a. 微拉伸示意图 b, c. 拉伸试样 d. 透射电镜中进行拉伸试验
3. 材料三维成像和分析:通过FIB逐层切割和SEM成像交替进行,结合软件三维重构,实现对材料结构、形貌及成分等信息的表征。
聚焦离子束的三种工作模式 a. 成像 b. 加工;c. 沉积
2D 取向成像图片和三维重构图
结论
FIB-SEM双束系统作为一种先进的分析工具,在材料科学、生命科学和地质学等领域展现出广泛的应用潜力。
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