FIB技術(shù)原理

聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡(jiǎn)稱(chēng) FIB）技術(shù)作為一種前沿的納米級(jí)加工與分析手段。它巧妙地融合了離子束技術(shù)與掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，憑借其獨(dú)特的原理、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景以及顯著的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工具。聚焦離子束技術(shù)的核心是液態(tài)金屬離子源。液態(tài)金屬離子源由一個(gè)半徑為2～5μm的鎢尖組成，鎢尖被尖端上方加熱融化的液態(tài)金屬儲(chǔ)層浸濕。在尖端和靠近尖端的電極之間施加電場(chǎng)后，表面張力和相反電場(chǎng)力共同作用，在尖端上方形成一個(gè)尖錐，即泰勒錐，其尖端半徑約為2 nm。當(dāng)電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，錐端形成射流，金屬離子在電場(chǎng)作用下電離，并通過(guò)場(chǎng)蒸發(fā)過(guò)程逸出形成離子流。這些離子流通?？梢约铀俚?.5～30 kV的能量，并通過(guò)靜電透鏡聚焦到樣品表面。當(dāng)離子束與樣品相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞導(dǎo)致濺射。此時(shí)，探測(cè)器會(huì)收集產(chǎn)生的二次電子和二次離子，用于成像。由于主高能離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于高能電子，因此FIB技術(shù)具備在特定位置濺射材料的能力。目前，可用的液態(tài)金屬離子源材料包括Al、As、Cu、Ga、Ge、Pd、Sn和Zn等。其中，金屬鎵（Ga）作為源材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如熔點(diǎn)略高于室溫、揮發(fā)性低、與尖端材料的反應(yīng)性低、蒸氣壓低、真空和電氣穩(wěn)定性高，以及發(fā)射期間的能量擴(kuò)散小等。這些特性使得鎵成為離子束系統(tǒng)的主要源材料。

FIB技術(shù)的原理可以通過(guò)以下幾種示意圖來(lái)直觀展示：(a) FIB-SEM雙束系統(tǒng)工作原理示意圖，展示了FIB與掃描電子顯微鏡（SEM）的結(jié)合方式；(b) Ga離子束與樣品的相互作用示意圖，揭示了離子束與樣品相互作用的微觀過(guò)程；(c) 采用FIB離子束刻蝕樣品的示意圖，直觀呈現(xiàn)了刻蝕過(guò)程；(d) 利用FIB離子束和GIS系統(tǒng)在樣品表面進(jìn)行誘導(dǎo)沉積的示意圖，展示了沉積過(guò)程。

FIB技術(shù)應(yīng)用

FIB技術(shù)最初主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于芯片的失效分析和電路修復(fù)。

20世紀(jì)80年代末，F(xiàn)IB技術(shù)開(kāi)始被逐漸用于定點(diǎn)顯微切割樣品的目標(biāo)區(qū)域，專(zhuān)門(mén)制備透射電鏡分析所需的超薄片樣品。隨后，F(xiàn)IB技術(shù)被引入地學(xué)研究領(lǐng)域，成為制備巖石樣品TEM超薄片試樣必不可少的工具，并開(kāi)始應(yīng)用于原子探針針尖樣品的制備。近年來(lái)，隨著FIB技術(shù)的不斷發(fā)展，它與高性能的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）、能量色散譜儀（EDXS）、質(zhì)譜儀（MS）等附件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了切割、成像、化學(xué)分析的一體化。此外，F(xiàn)IB技術(shù)與低溫技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)低溫或者特殊環(huán)境條件下的切割、成像和分析。

1.納米加工

FIB技術(shù)可以用于直接“雕刻”微觀和納米尺度的結(jié)構(gòu)，如量子點(diǎn)、納米線和微流體器件。這種能力使得FIB在納米材料的設(shè)計(jì)和制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為納米技術(shù)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

2.樣品制備

在透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析中，F(xiàn)IB是制備超薄樣品截面的理想選擇。通過(guò)FIB技術(shù)，可以精確地切割出所需的樣品區(qū)域，為后續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)分析提供高質(zhì)量的樣品。

3.三維重構(gòu)

通過(guò)逐層切割和成像，F(xiàn)IB技術(shù)可以構(gòu)建材料和生物樣品的三維結(jié)構(gòu)。這種三維重構(gòu)能力對(duì)于理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和生物樣品的內(nèi)部組織具有重要意義，為材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究提供了新的視角。

4.集成電路修改和修復(fù)

FIB技術(shù)允許對(duì)芯片進(jìn)行局部修改，包括連接路徑的切斷和重建。這使得FIB成為電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證和故障分析的重要工具，為半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)提供了有力的支持。

5.原位實(shí)驗(yàn)

結(jié)合其他分析技術(shù)（如EDS、EBSD），F(xiàn)IB系統(tǒng)可以進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)，如觀察材料在不同條件下的相變、裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象。

操作簡(jiǎn)單、前處理步驟少：

與傳統(tǒng)的樣品制備和分析技術(shù)相比，F(xiàn)IB技術(shù)的操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，前處理步驟較少。

定點(diǎn)微納尺度精準(zhǔn)切割：

FIB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)微納尺度的精準(zhǔn)切割，尺寸可控，厚度均勻。

切割、成像、化學(xué)分析一體化：

FIB技術(shù)不僅可以進(jìn)行樣品的切割和制備，還可以通過(guò)收集二次電子和二次離子實(shí)現(xiàn)成像，并結(jié)合其他分析設(shè)備進(jìn)行化學(xué)分析。