聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB）技術(shù)是一種強(qiáng)大的微納加工和分析工具，它利用高度聚焦的離子束對(duì)材料表面進(jìn)行納米尺度的刻蝕、沉積、成像和成分分析。

FIB 系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

聚焦離子束技術(shù)的核心在于將特定元素（如鎵元素）的離子化為帶正電的離子（Ga+），并通過(guò)電場(chǎng)加速使其獲得高能量。隨后，借助靜電透鏡系統(tǒng)將這些高速離子束精確聚焦到目標(biāo)位置。這一過(guò)程與掃描電子顯微鏡（SEM）的工作原理有一定的相似性，但關(guān)鍵區(qū)別在于所使用的粒子類型：FIB 使用的是鎵離子（Ga+），而 SEM 使用的是電子。

這種高能量的離子束能夠?qū)悠愤M(jìn)行微觀層面的加工和分析，例如材料的濺射、沉積以及結(jié)構(gòu)觀察等。

FIB技術(shù)的工作原理

離子的產(chǎn)生與加速：

離子源是離子產(chǎn)生的關(guān)鍵場(chǎng)所，以液態(tài)鎵離子源為例，金屬被加熱成液態(tài)后，在尖端形成離子發(fā)射點(diǎn)。離子提取后進(jìn)入加速電壓區(qū)域，經(jīng)過(guò)幾千伏特的加速，獲得足夠的動(dòng)能，為后續(xù)撞擊樣品、產(chǎn)生各種效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

離子束的聚焦與掃描：

加速后的離子束需要經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)的 “雕琢”，一系列電磁透鏡發(fā)揮作用，將離子束調(diào)整得更細(xì)更集中，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的精度，離子束直徑可在幾納米到幾百納米之間靈活變化。同時(shí)，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過(guò)施加電壓或電流，改變離子束方向，使其能夠按照預(yù)設(shè)路徑在樣品表面進(jìn)行精確掃描。

與樣品的相互作用

蝕刻機(jī)制：

當(dāng)高能離子束轟擊樣品時(shí)，物理濺射現(xiàn)象隨之發(fā)生。入射離子將動(dòng)能傳遞給樣品原子，使其脫離樣品表面，實(shí)現(xiàn)材料的去除，從而能夠完成切割、鉆孔、雕刻等精細(xì)操作，打造出復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。

沉積機(jī)制：

在特定條件下，F(xiàn)IB 技術(shù)還具備沉積新材料的能力。引入特定氣體前驅(qū)體到樣品室，在離子束作用下，氣體分解并在樣品表面沉積，形成一層薄膜，可用于電路修補(bǔ)、導(dǎo)電連接創(chuàng)建等。

成像機(jī)制：

離子束撞擊樣品會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射離子等信號(hào)，檢測(cè)這些信號(hào)能夠生成樣品表面形貌信息，類似于掃描電子顯微鏡的成像原理。現(xiàn)代雙束系統(tǒng)結(jié)合了 SEM 功能，進(jìn)一步提升了成像質(zhì)量。

FIB技術(shù)的主要應(yīng)用

聚焦離子束系統(tǒng)除了具有電子成像功能外，由于離子具有較大的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)加速聚焦后還可對(duì)材料和器件進(jìn)行蝕刻、沉積、離子注入等加工。金鑒實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作，確保每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)無(wú)誤地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.離子束成像

聚焦離子束轟擊樣品表面，激發(fā)二次電子、中性原子、二次離子和光子等，收集這些信號(hào)，經(jīng)處理顯示樣品的表面形貌。目前聚焦離子束系統(tǒng)成像分辨率已達(dá)到5nm，比掃描電鏡稍低，但成像具有更真實(shí)反映材料表層詳細(xì)形貌的優(yōu)點(diǎn)。

2.離子束蝕刻

高能聚焦離子束轟擊樣品時(shí)，其動(dòng)能會(huì)傳遞給樣品中的原子分子，產(chǎn)生濺射效應(yīng)，從而達(dá)到不斷蝕刻，即切割樣品的效果。其切割定位精度能達(dá)到5nm級(jí)別，具有超高的切割精度。使用高能了離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變?yōu)榛钚栽?、離子和自由基，這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物是揮發(fā)性，當(dāng)脫離樣品表面時(shí)立刻被真空系統(tǒng)抽走。這些腐蝕氣體本身不與樣品材料發(fā)生作用，由由離子束將其離解后，才具有活性，這樣便可以對(duì)樣品表面實(shí)施選擇性蝕刻。在集成電路修改方面有著重要應(yīng)用。

3.離子束沉積薄膜

利用離子束的能量激發(fā)化學(xué)反應(yīng)來(lái)沉積金屬材料和非金屬材料。通過(guò)氣體注入系統(tǒng)將一些金屬有機(jī)物氣體噴涂在樣品上需要沉積的區(qū)域，當(dāng)離子束聚焦在該區(qū)域時(shí)，離子束能量使有機(jī)物發(fā)生分解，分解后的金屬固體成分被沉積下來(lái)，而揮發(fā)性有機(jī)物成分被真空系統(tǒng)抽走。

4.離子注入

聚焦離子束的一個(gè)重要應(yīng)用時(shí)可以無(wú)掩模注入離子。掩模注入是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一項(xiàng)基本操作技術(shù)，利用聚焦離子束技術(shù)的精確定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半導(dǎo)體材料和器件上特定的點(diǎn)或者區(qū)域進(jìn)行離子注入，精確控制注入的深度和廣度。

5.透射電鏡樣品制備

在材料分析領(lǐng)域，F(xiàn)IB 技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于透射電子顯微鏡（TEM）樣品的制備。傳統(tǒng)方法是通過(guò)手工研磨和離子濺射減薄來(lái)制樣，不但費(fèi)時(shí)而且還無(wú)法精確定位。

聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時(shí)，不但能精確定位，還能做到不污染和損傷樣品。