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

FIB 如何工作

聚焦離子束（FIB）技術(shù)是一種先進(jìn)的微納加工技術(shù)，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(xì)束斑。

當(dāng)這束高能離子束轟擊樣品表面時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)使得樣品表面的材料被移除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)。這些相互作用機(jī)制共同賦予了 FIB 在納米尺度上對(duì)樣品進(jìn)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(shù)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(gè)方面，這些功能相互配合，使其在眾多領(lǐng)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(hào)來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)離子束作用于樣品表面時(shí)，會(huì)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(hào)，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(dá)亞納米級(jí)，能夠揭示樣品微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)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(diǎn)，它能夠以納米級(jí)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(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可以將樣品加工成超薄的薄膜，以便進(jìn)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(fù)中，F(xiàn)IB 的精確刻蝕能力也能夠精準(zhǔn)地去除多余的材料或切斷特定的電路連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)樣品表面的缺陷，例如在微電路中填補(bǔ)斷裂的連接或修復(fù)受損的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(shè)計(jì)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(shù)，能夠?qū)Σ牧系脑亟M成和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

FIB 技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合

FIB 技術(shù)的多功能性和靈活性使其能夠與其他多種技術(shù)相結(jié)合，形成更為強(qiáng)大的聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)，從而拓展其應(yīng)用范圍和提升應(yīng)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(biāo)區(qū)域沉積一層鉑保護(hù)層，以防止離子束直接損傷樣品表面。

接下來進(jìn)行 FIB 銑削，分為粗銑削和精細(xì)銑削兩個(gè)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(xì)銑削則使用低電流（如 100 pA），對(duì)表面進(jìn)行拋光，確保其平整度，使其適合進(jìn)行高分辨率成像或作為 TEM 樣品的制備。對(duì)于三維斷層成像，F(xiàn)IB 逐層銑削（每次移除幾十納米），同時(shí) SEM 同步進(jìn)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(dǎo)電基底上，以避免充電效應(yīng)影響 SEM 的成像質(zhì)量，并且通過二次電子圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控銑削進(jìn)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(dá)亞納米級(jí)，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(shù)通過 FIB 逐層銑削和 SEM 連續(xù)成像，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的三維結(jié)構(gòu)重建，在材料科學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(jí)分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。FIB - TEM 技術(shù)支持亞埃級(jí)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(xì)節(jié)。結(jié)合選區(qū)電子衍射（SAED），可以對(duì)晶格結(jié)構(gòu)和取向進(jìn)行精確分析；配合 EDS 技術(shù)，則可進(jìn)行元素分布映射，進(jìn)一步深入了解材料的微觀特性。在材料科學(xué)領(lǐng)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(dǎo)體行業(yè)中，它用于分析晶體缺陷和器件結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高半導(dǎo)體器件的性能和可靠性具有關(guān)鍵作用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)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(duì) TEM 圖像質(zhì)量的影響，從而獲得更為準(zhǔn)確和可靠的分析結(jié)果。聚焦離子束（FIB）技術(shù)以其獨(dú)特的原理和強(qiáng)大的功能，在微納加工與分析領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，F(xiàn)IB 技術(shù)必將在未來的科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中創(chuàng)造出更多的價(jià)值，為人類對(duì)微觀世界的認(rèn)知和利用開辟出更廣闊的道路。