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

FIB 系統(tǒng)的基礎架構

聚焦離子束技術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+），并通過電場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位置。這一過程與掃描電子顯微鏡（SEM）的工作原理有一定的相似性，但關鍵區(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對樣品進行微觀層面的加工和分析，例如材料的濺射、沉積以及結構觀察等。

FIB技術的工作原理

離子的產生與加速：

離子源是離子產生的關鍵場所，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。離子提取后進入加速電壓區(qū)域，經過幾千伏特的加速，獲得足夠的動能，為后續(xù)撞擊樣品、產生各種效應奠定基礎。

離子束的聚焦與掃描：

加速后的離子束需要經過聚焦系統(tǒng)的 “雕琢”，一系列電磁透鏡發(fā)揮作用，將離子束調整得更細更集中，實現納米級別的精度，離子束直徑可在幾納米到幾百納米之間靈活變化。同時，偏轉系統(tǒng)通過施加電壓或電流，改變離子束方向，使其能夠按照預設路徑在樣品表面進行精確掃描。

與樣品的相互作用

蝕刻機制：

當高能離子束轟擊樣品時，物理濺射現象隨之發(fā)生。入射離子將動能傳遞給樣品原子，使其脫離樣品表面，實現材料的去除，從而能夠完成切割、鉆孔、雕刻等精細操作，打造出復雜的微結構。

沉積機制：

在特定條件下，FIB 技術還具備沉積新材料的能力。引入特定氣體前驅體到樣品室，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、導電連接創(chuàng)建等。

成像機制：

離子束撞擊樣品會產生二次電子、背散射離子等信號，檢測這些信號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。現代雙束系統(tǒng)結合了 SEM 功能，進一步提升了成像質量。

FIB技術的主要應用

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量，經過加速聚焦后還可對材料和器件進行蝕刻、沉積、離子注入等加工。金鑒實驗室在進行試驗時，嚴格遵循相關標準操作，確保每一個測試環(huán)節(jié)都精準無誤地符合標準要求。

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，經處理顯示樣品的表面形貌。目前聚焦離子束系統(tǒng)成像分辨率已達到5nm，比掃描電鏡稍低，但成像具有更真實反映材料表層詳細形貌的優(yōu)點。

2.離子束蝕刻

高能聚焦離子束轟擊樣品時，其動能會傳遞給樣品中的原子分子，產生濺射效應，從而達到不斷蝕刻，即切割樣品的效果。其切割定位精度能達到5nm級別，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，這些活性基團與樣品材料發(fā)生化學反應后的產物是揮發(fā)性，當脫離樣品表面時立刻被真空系統(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，這樣便可以對樣品表面實施選擇性蝕刻。在集成電路修改方面有著重要應用。

3.離子束沉積薄膜

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

4.離子注入

聚焦離子束的一個重要應用時可以無掩模注入離子。掩模注入是半導體領域的一項基本操作技術，利用聚焦離子束技術的精確定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半導體材料和器件上特定的點或者區(qū)域進行離子注入，精確控制注入的深度和廣度。

5.透射電鏡樣品制備

在材料分析領域，FIB 技術還被廣泛應用于透射電子顯微鏡（TEM）樣品的制備。傳統(tǒng)方法是通過手工研磨和離子濺射減薄來制樣，不但費時而且還無法精確定位。

聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時，不但能精確定位，還能做到不污染和損傷樣品。