聚焦離子束（FIB）技術憑借其獨特的原理和強大的功能，成為微納加工與分析領域不可或缺的重要工具。

FIB 如何工作

聚焦離子束（FIB）技術是一種先進的微納加工技術，其核心在于液態(tài)金屬離子源，通常使用鎵作為離子源材料。

通過電場激發(fā)，液態(tài)金屬離子源能夠生成穩(wěn)定的離子流。隨后，利用靜電透鏡系統(tǒng)，將離子束聚焦至直徑僅幾納米的極細束斑。

當這束高能離子束轟擊樣品表面時，會引發(fā)一系列復雜的物理和化學反應，主要包括濺射、離子植入以及二次電子 / 離子發(fā)射。濺射效應使得樣品表面的材料被移除，從而實現(xiàn)對樣品的刻蝕加工；離子植入則可以改變材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；而二次電子和二次離子的發(fā)射則為成像和分析提供了重要信號。這些相互作用機制共同賦予了 FIB 在納米尺度上對樣品進行精確加工和深入分析的能力，使其能夠在微觀世界中施展“魔法”。

FIB 的主要功能

FIB 技術的主要功能涵蓋了高分辨率成像、精確刻蝕、材料沉積以及分析等多個方面，這些功能相互配合，使其在眾多領域大顯身手。

1.FIB 的成像功能主要依靠收集二次電子或二次離子信號來實現(xiàn)。

當離子束作用于樣品表面時，會激發(fā)樣品產(chǎn)生二次電子和二次離子，通過專門的探測器收集這些信號，經(jīng)過處理后可以生成樣品表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像。其分辨率之高，可達亞納米級，能夠揭示樣品微觀結(jié)構(gòu)的細節(jié)，為研究人員提供直觀的視覺信息，幫助他們更好地理解材料的微觀特性。

2.刻蝕功能是 FIB 的一大亮點，它能夠以納米級的精度移除樣品表面的材料。

這一功能在制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品時發(fā)揮著關鍵作用，可以將樣品加工成超薄的薄膜，以便進行高分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。此外，在微電路的修改和修復中，F(xiàn)IB 的精確刻蝕能力也能夠精準地去除多余的材料或切斷特定的電路連接，實現(xiàn)對微電路的精確調(diào)整。

3.FIB 的材料沉積功能通過引入特定的氣體，如含金屬前驅(qū)體氣體，在樣品表面沉積材料。

這一功能可用于修復樣品表面的缺陷，例如在微電路中填補斷裂的連接或修復受損的結(jié)構(gòu)。同時，它還可以構(gòu)建各種功能結(jié)構(gòu)，為納米器件的制造提供了有力支持，使得研究人員能夠在微觀尺度上設計和構(gòu)建具有特定功能的材料和結(jié)構(gòu)。

4.FIB 的分析功能則結(jié)合了能量色散光譜（EDS））等技術，能夠?qū)Σ牧系脑亟M成和晶體結(jié)構(gòu)進行深入表征。通過 EDS 分析，可以確定樣品中不同元素的分布情況，為材料的成分分析提供準確數(shù)據(jù)。

FIB 技術與其他技術的結(jié)合

FIB 技術的多功能性和靈活性使其能夠與其他多種技術相結(jié)合，形成更為強大的聯(lián)合技術系統(tǒng)，從而拓展其應用范圍和提升應用效果。

FIB - SEM 結(jié)合

FIB - SEM 系統(tǒng)將離子柱和電子柱整合于一體，形成了一種雙束顯微鏡，這種結(jié)合方式在樣品制備和成像分析方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。

在樣品制備過程中，首先利用 SEM 定位感興趣的區(qū)域，確保加工的精確性。然后在目標區(qū)域沉積一層鉑保護層，以防止離子束直接損傷樣品表面。

接下來進行 FIB 銑削，分為粗銑削和精細銑削兩個步驟。粗銑削使用高電流（如 10 nA），能夠快速移除大量材料；而精細銑削則使用低電流（如 100 pA），對表面進行拋光，確保其平整度，使其適合進行高分辨率成像或作為 TEM 樣品的制備。對于三維斷層成像，F(xiàn)IB 逐層銑削（每次移除幾十納米），同時 SEM 同步進行成像，通過這種方式可以重建樣品的三維結(jié)構(gòu)。在制備過程中，樣品需要固定在導電基底上，以避免充電效應影響 SEM 的成像質(zhì)量，并且通過二次電子圖像實時監(jiān)控銑削進度。

FIB - SEM 提供的高分辨率二次電子和背散射成像，分辨率可達亞納米級，能夠清晰地表征樣品的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。

三維斷層成像技術通過 FIB 逐層銑削和 SEM 連續(xù)成像，實現(xiàn)了納米級的三維結(jié)構(gòu)重建，在材料科學和生物學等領域有著廣泛的應用。

FIB - TEM 結(jié)合

FIB - TEM 結(jié)合則是利用 FIB 的精確銑削能力，為透射電子顯微鏡（TEM）制備超薄樣品，從而支持原子級分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。FIB - TEM 技術支持亞埃級分辨率的原子成像，能夠清晰地揭示晶界、缺陷和納米顆粒等微觀細節(jié)。結(jié)合選區(qū)電子衍射（SAED），可以對晶格結(jié)構(gòu)和取向進行精確分析；配合 EDS 技術，則可進行元素分布映射，進一步深入了解材料的微觀特性。在材料科學領域，F(xiàn)IB - TEM 廣泛用于表征納米結(jié)構(gòu)和界面，為新型材料的研發(fā)和性能優(yōu)化提供了重要依據(jù)。在半導體行業(yè)中，它用于分析晶體缺陷和器件結(jié)構(gòu)，對于提高半導體器件的性能和可靠性具有關鍵作用。在實際應用中，需要對銑削參數(shù)進行優(yōu)化，并采用低溫操作等措施，以減少鎵植入或樣品非晶化對 TEM 圖像質(zhì)量的影響，從而獲得更為準確和可靠的分析結(jié)果。聚焦離子束（FIB）技術以其獨特的原理和強大的功能，在微納加工與分析領域展現(xiàn)出了巨大的潛力和廣泛的應用前景。

隨著技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，F(xiàn)IB 技術必將在未來的科學研究和工業(yè)應用中創(chuàng)造出更多的價值，為人類對微觀世界的認知和利用開辟出更廣闊的道路。