聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡稱 FIB）技術，宛如一把納米尺度的“萬能鑰匙”，在材料加工、分析及成像領域大放異彩。它憑借高度集中的離子束，精準操控離子束與樣品表面的相互作用，實現(xiàn)納米級別的精細操作，為眾多學科和工業(yè)領域帶來了前所未有的機遇。

核心構成

FIB 系統(tǒng)的核心在于離子束的生成與調(diào)控。生成用于撞擊樣品的離子束，其中最為普遍的離子源類型為液態(tài)金屬離子源，尤其是采用液態(tài)鎵作為原料。金鑒實驗室配備了先進的FIB設備，能夠為客戶提供高質量的樣品制備，確保在進行離子束生成與調(diào)控時，樣品的特性得到準確反映。

接下來是加速與偏轉機制，該機制負責提升離子的速度，并利用電場或磁場的力量來精確調(diào)控離子束的行進路徑與形態(tài)，實現(xiàn)聚焦效果。

樣品室為待測試樣品提供了一個真空環(huán)境，內(nèi)部維持著極高的真空度，防止外界因素干擾離子束的品質。而檢測系統(tǒng)則負責捕獲并分析離子束與樣品相互作用過程中釋放出的各類信號，如二次離子、二次電子等，為后續(xù)的分析工作提供關鍵數(shù)據(jù)，這些信號蘊含著樣品表面形貌、成分等豐富信息。

基本原理

離子束與樣品的相互作用是 FIB 技術的核心原理。

當高能離子束撞擊樣品時，會產(chǎn)生物理濺射效應，離子將自身攜帶的高動能傳遞給樣品原子，導致這些原子被高速彈出樣品表面，從而實現(xiàn)精密的材料去除作業(yè)，可用于切割、鉆孔或雕刻等復雜微納結構的制造任務。此外，F(xiàn)IB 技術還能用于新材料的沉積，通過向樣品室內(nèi)引入特定的氣體前驅體，在離子束的轟擊下，這些氣體會發(fā)生分解反應，并在樣品表面形成一層均勻的薄膜沉積。離子束與樣品相互作用時，還會激發(fā)出二次電子、背散射離子等信號。這些信號可以被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。特別是對于結合了 SEM 功能的雙束系統(tǒng)，其成像質量更是得到了顯著提升，能夠實現(xiàn)高分辨率成像和精準的 FIB 加工的完美結合。

主要功能

1. 蝕刻

材料去除：FIB通過高能離子束轟擊樣品表面，利用物理濺射效應移除材料。這種能力使得FIB能夠在納米尺度上進行極其精細的切割、鉆孔或雕刻，廣泛應用于微電子器件的制造和修復。

故障分析：在半導體行業(yè)中，F(xiàn)IB用于定位和切除有問題的電路部分，以便進一步分析故障原因。

2. 沉積

材料添加：除了移除材料，F(xiàn)IB還能在特定位置沉積新材料。這通常涉及到引入一種氣體前驅體到樣品室中，在離子束的作用下，該氣體會分解并在樣品表面形成一層薄膜。這種方法可用于修補損壞的電路、創(chuàng)建導電連接或制備TEM樣品支架。

3. 成像

表面形貌觀察：當離子束撞擊樣品時，會產(chǎn)生二次電子、背散射離子等信號，這些信號可以被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然FIB的成像分辨率不如SEM，但它可以在加工前后立即對結果進行檢查。

雙束系統(tǒng)：現(xiàn)代FIB設備經(jīng)常結合了SEM，形成了所謂的“雙束”系統(tǒng)，允許在同一臺儀器內(nèi)完成高分辨率成像和精準的FIB加工。

4. 斷層掃描與三維重建

內(nèi)部結構分析：通過一系列薄切片的連續(xù)截面圖像，可以構建出樣品內(nèi)部結構的三維模型。這對于研究復雜材料的內(nèi)部微觀結構非常有用，例如多層芯片中的互連結構或者生物組織的細胞間聯(lián)系。

5. 透射電子顯微鏡樣品制備

超薄樣本提取：FIB能夠從塊狀材料中提取厚度僅為數(shù)十納米的薄片，這些薄片足夠透明以供TEM觀察內(nèi)部結構。這是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的，特別是對于硬質或脆性材料。

6. 納米操縱與組裝

納米級操作：利用FIB可以實現(xiàn)對單個納米粒子或納米線的操作，如移動、焊接或切割，這在納米科技的研究和發(fā)展中具有重要意義。

7. 材料改性

表面處理：FIB還可以用來改變材料的表面特性，例如通過局部摻雜或改變化學成分來調(diào)整其電學、光學或其他物理性質

優(yōu)勢與局限

FIB 技術的優(yōu)點顯而易見。無需依賴傳統(tǒng)掩膜版，顯著縮短了研發(fā)周期，促進了快速原型制作。能夠針對特定區(qū)域實施精確作業(yè)，而對周圍環(huán)境保持無影響。在制備硬質或脆性材料 TEM 樣品方面表現(xiàn)出色，與 SEM 結合的雙束系統(tǒng)更是提升了工作效率，實現(xiàn)了即時檢查結果的便利性。然而，F(xiàn)IB 技術也存在一些局限性。設備購置價格昂貴，運行和維護成本也相當可觀，限制了其廣泛應用。加工速度相對較慢，不適合大規(guī)模生產(chǎn)或需要快速處理的應用場景。

應用領域

FIB 技術在眾多領域都有廣泛的應用。在微電子工業(yè)中，用于故障分析與修復，定位并切除有問題的電路部分，還能修補電路中的缺陷或創(chuàng)建新的連接。對于光刻過程中出現(xiàn)錯誤的掩膜版，F(xiàn)IB 可以進行精確的修復，減少重新制作掩膜的成本和時間。

1.在納米制造領域

FIB 能夠迅速構建納米級結構原型，加速研發(fā)進程。在納米線與納米孔制造方面，借助對離子束的精準操控，能夠在材料表面精確雕刻出納米級的線條、孔洞或其他精細結構，為新型納米器件的研發(fā)開辟了道路。

2.在材料科學中FIB 是制備 TEM 超薄樣品的理想工具，特別是對于硬質或脆性材料，它可以提取出足夠透明的薄片以供高分辨率觀察。

利用 FIB 的斷層掃描功能，可以構建樣品內(nèi)部結構的三維模型，研究復雜材料的微觀結構和成分分布。

3.在生物學領域

FIB 可以用于制備生物樣本，如細胞或組織切片，然后結合 SEM 或 TEM 進行高分辨率成像，幫助研究人員了解細胞內(nèi)部結構和功能。還允許對單個納米粒子或納米線進行操作，對于研究生物分子機器和納米藥物遞送系統(tǒng)非常重要。

4.在故障分析方面

FIB 可以通過局部蝕刻和沉積技術來隔離和訪問特定的電路節(jié)點，精確定位故障位置，并進行深入分析。聚焦離子束技術作為一種先進的納米加工技術，憑借其在微觀尺度上對材料進行原子級別操控的能力，在材料科學、納米技術、半導體制造、生物醫(yī)學等多個領域展現(xiàn)出了廣闊的應用前景。