雙束聚焦離子束(FIB)系統概述

雙束聚焦離子束(FIB)系統是一種集成了單束聚焦離子束和掃描電子顯微鏡(SEM)功能的高精度微納加工技術。這種系統通過精確控制離子束與樣品的相互作用，實現了對材料的微觀加工和分析。FIB系統的核心組成部分包括離子源、離子光學系統、束描畫系統、信號采集系統以及樣品臺。離子源產生帶正電的離子，這些離子在靜電透鏡和偏轉裝置的作用下被聚焦并偏轉，以實現對樣品表面的精確掃描。樣品加工過程中，加速的離子轟擊樣品表面，導致表面原子濺射，同時產生的二次電子和二次離子被探測器采集并用于成像。

設備布局與操作

雙束FIB設備的設計通常有兩種布局：一種是電子束豎直安裝，另一種是離子束和電子束呈一定角度安裝。在操作過程中，樣品被放置在共心高度位置，這樣可以同時進行電子束成像和離子束處理。樣品臺的傾轉功能允許樣品表面垂直于電子束或離子束，以適應不同的加工需求。

離子束顯微鏡的組件

離子束顯微鏡的關鍵組件包括液態金屬離子源、離子引出極、預聚焦極、聚焦極、消像散電子透鏡、掃描線圈、二次粒子檢測器、活動樣品基座、真空系統、抗振動及磁場設備、電路控制板和電腦等。液態金屬離子源在外加電場的作用下形成細小尖端，導出離子束。通過電透鏡聚焦和可變孔徑光闌的調節，可以控制離子束的大小，進而實現對樣品表面的精確加工。在一般工作電壓下，尖端電流密度約為10^-4A/cm^2，離子束到達樣品表面的束斑直徑可達到7納米。

FIB系統的應用領域

Dual Beam FIB-SEM業務，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。

1.透射電子顯微鏡(TEM)樣品制備：

適用于半導體薄膜、器件、金屬材料、電池材料、二維材料、地質和陶瓷材料等。制備樣品時，需要根據材料的特性選擇合適的位置和方法。

2.截面分析：

利用FIB濺射刻蝕功能，芯片、LED等進行橫截面觀測和成分分析，結合元素分析(EDS)技術，提供精準的材料成分信息。

3.芯片修補與線路編輯：

在集成電路設計驗證和缺陷修復中，FIB技術可以對特定區域進行精確的切割或沉積，實現電路的修改。

4.微納結構制備：

FIB系統能夠在微納米尺度上制備復雜的功能性結構，如納米量子電子器件、亞波長光學結構等。

5.三維重構分析：

通過逐層切割和成像，結合軟件處理，實現材料的三維結構和成分分析。

6.原子探針樣品制備：

用于原子探針斷層掃描(APT)和納米尺度化學成分分析，需要制備大高寬比、銳利的探針。

7.離子注入：

用于材料表面改性，如通過高能離子束注入單晶硅表面，改變其物理性質。

8.光刻掩膜版修復：

FIB系統可以修復掩膜版上的微小缺陷，延長其使用壽命，減少成本。

FIB技術的未來展望

FIB技術的發展極大地推動了微納加工領域的進步，其高精度和多功能性使其成為現代科研和工業生產中不可或缺的工具。隨著技術的不斷進步，FIB系統的應用范圍將進一步擴大，為材料科學、納米技術、半導體工業等領域帶來更多創新和突破。