聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡(jiǎn)稱 FIB）技術(shù)，宛如一把納米尺度的“萬(wàn)能鑰匙”，在材料加工、分析及成像領(lǐng)域大放異彩。它憑借高度集中的離子束，精準(zhǔn)操控離子束與樣品表面的相互作用，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的精細(xì)操作，為眾多學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

核心構(gòu)成

FIB 系統(tǒng)的核心在于離子束的生成與調(diào)控。生成用于撞擊樣品的離子束，其中最為普遍的離子源類型為液態(tài)金屬離子源，尤其是采用液態(tài)鎵作為原料。金鑒實(shí)驗(yàn)室配備了先進(jìn)的FIB設(shè)備，能夠?yàn)榭蛻籼峁└哔|(zhì)量的樣品制備，確保在進(jìn)行離子束生成與調(diào)控時(shí)，樣品的特性得到準(zhǔn)確反映。

接下來(lái)是加速與偏轉(zhuǎn)機(jī)制，該機(jī)制負(fù)責(zé)提升離子的速度，并利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)的力量來(lái)精確調(diào)控離子束的行進(jìn)路徑與形態(tài)，實(shí)現(xiàn)聚焦效果。

樣品室為待測(cè)試樣品提供了一個(gè)真空環(huán)境，內(nèi)部維持著極高的真空度，防止外界因素干擾離子束的品質(zhì)。而檢測(cè)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)捕獲并分析離子束與樣品相互作用過(guò)程中釋放出的各類信號(hào)，如二次離子、二次電子等，為后續(xù)的分析工作提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些信號(hào)蘊(yùn)含著樣品表面形貌、成分等豐富信息。

基本原理

離子束與樣品的相互作用是 FIB 技術(shù)的核心原理。

當(dāng)高能離子束撞擊樣品時(shí)，會(huì)產(chǎn)生物理濺射效應(yīng)，離子將自身攜帶的高動(dòng)能傳遞給樣品原子，導(dǎo)致這些原子被高速?gòu)棾鰳悠繁砻妫瑥亩鴮?shí)現(xiàn)精密的材料去除作業(yè)，可用于切割、鉆孔或雕刻等復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的制造任務(wù)。此外，F(xiàn)IB 技術(shù)還能用于新材料的沉積，通過(guò)向樣品室內(nèi)引入特定的氣體前驅(qū)體，在離子束的轟擊下，這些氣體會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，并在樣品表面形成一層均勻的薄膜沉積。離子束與樣品相互作用時(shí)，還會(huì)激發(fā)出二次電子、背散射離子等信號(hào)。這些信號(hào)可以被收集并轉(zhuǎn)換為圖像，顯示樣品的表面特征，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。特別是對(duì)于結(jié)合了 SEM 功能的雙束系統(tǒng)，其成像質(zhì)量更是得到了顯著提升，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率成像和精準(zhǔn)的 FIB 加工的完美結(jié)合。

主要功能

1. 蝕刻

材料去除：FIB通過(guò)高能離子束轟擊樣品表面，利用物理濺射效應(yīng)移除材料。這種能力使得FIB能夠在納米尺度上進(jìn)行極其精細(xì)的切割、鉆孔或雕刻，廣泛應(yīng)用于微電子器件的制造和修復(fù)。

故障分析：在半導(dǎo)體行業(yè)中，F(xiàn)IB用于定位和切除有問(wèn)題的電路部分，以便進(jìn)一步分析故障原因。

2. 沉積

材料添加：除了移除材料，F(xiàn)IB還能在特定位置沉積新材料。這通常涉及到引入一種氣體前驅(qū)體到樣品室中，在離子束的作用下，該氣體會(huì)分解并在樣品表面形成一層薄膜。這種方法可用于修補(bǔ)損壞的電路、創(chuàng)建導(dǎo)電連接或制備TEM樣品支架。

3. 成像

表面形貌觀察：當(dāng)離子束撞擊樣品時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射離子等信號(hào)，這些信號(hào)可以被收集并轉(zhuǎn)換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然FIB的成像分辨率不如SEM，但它可以在加工前后立即對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢查。

雙束系統(tǒng)：現(xiàn)代FIB設(shè)備經(jīng)常結(jié)合了SEM，形成了所謂的“雙束”系統(tǒng)，允許在同一臺(tái)儀器內(nèi)完成高分辨率成像和精準(zhǔn)的FIB加工。

4. 斷層掃描與三維重建

內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析：通過(guò)一系列薄切片的連續(xù)截面圖像，可以構(gòu)建出樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型。這對(duì)于研究復(fù)雜材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)非常有用，例如多層芯片中的互連結(jié)構(gòu)或者生物組織的細(xì)胞間聯(lián)系。

5. 透射電子顯微鏡樣品制備

超薄樣本提取：FIB能夠從塊狀材料中提取厚度僅為數(shù)十納米的薄片，這些薄片足夠透明以供TEM觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的，特別是對(duì)于硬質(zhì)或脆性材料。

6. 納米操縱與組裝

納米級(jí)操作：利用FIB可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)納米粒子或納米線的操作，如移動(dòng)、焊接或切割，這在納米科技的研究和發(fā)展中具有重要意義。

7. 材料改性

表面處理：FIB還可以用來(lái)改變材料的表面特性，例如通過(guò)局部摻雜或改變化學(xué)成分來(lái)調(diào)整其電學(xué)、光學(xué)或其他物理性質(zhì)

優(yōu)勢(shì)與局限

FIB 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。無(wú)需依賴傳統(tǒng)掩膜版，顯著縮短了研發(fā)周期，促進(jìn)了快速原型制作。能夠針對(duì)特定區(qū)域?qū)嵤┚_作業(yè)，而對(duì)周圍環(huán)境保持無(wú)影響。在制備硬質(zhì)或脆性材料 TEM 樣品方面表現(xiàn)出色，與 SEM 結(jié)合的雙束系統(tǒng)更是提升了工作效率，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)檢查結(jié)果的便利性。然而，F(xiàn)IB 技術(shù)也存在一些局限性。設(shè)備購(gòu)置價(jià)格昂貴，運(yùn)行和維護(hù)成本也相當(dāng)可觀，限制了其廣泛應(yīng)用。加工速度相對(duì)較慢，不適合大規(guī)模生產(chǎn)或需要快速處理的應(yīng)用場(chǎng)景。

應(yīng)用領(lǐng)域

FIB 技術(shù)在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在微電子工業(yè)中，用于故障分析與修復(fù)，定位并切除有問(wèn)題的電路部分，還能修補(bǔ)電路中的缺陷或創(chuàng)建新的連接。對(duì)于光刻過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的掩膜版，F(xiàn)IB 可以進(jìn)行精確的修復(fù)，減少重新制作掩膜的成本和時(shí)間。

1.在納米制造領(lǐng)域

FIB 能夠迅速構(gòu)建納米級(jí)結(jié)構(gòu)原型，加速研發(fā)進(jìn)程。在納米線與納米孔制造方面，借助對(duì)離子束的精準(zhǔn)操控，能夠在材料表面精確雕刻出納米級(jí)的線條、孔洞或其他精細(xì)結(jié)構(gòu)，為新型納米器件的研發(fā)開辟了道路。

2.在材料科學(xué)中FIB 是制備 TEM 超薄樣品的理想工具，特別是對(duì)于硬質(zhì)或脆性材料，它可以提取出足夠透明的薄片以供高分辨率觀察。

利用 FIB 的斷層掃描功能，可以構(gòu)建樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型，研究復(fù)雜材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分分布。

3.在生物學(xué)領(lǐng)域

FIB 可以用于制備生物樣本，如細(xì)胞或組織切片，然后結(jié)合 SEM 或 TEM 進(jìn)行高分辨率成像，幫助研究人員了解細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。還允許對(duì)單個(gè)納米粒子或納米線進(jìn)行操作，對(duì)于研究生物分子機(jī)器和納米藥物遞送系統(tǒng)非常重要。

4.在故障分析方面

FIB 可以通過(guò)局部蝕刻和沉積技術(shù)來(lái)隔離和訪問(wèn)特定的電路節(jié)點(diǎn)，精確定位故障位置，并進(jìn)行深入分析。聚焦離子束技術(shù)作為一種先進(jìn)的納米加工技術(shù)，憑借其在微觀尺度上對(duì)材料進(jìn)行原子級(jí)別操控的能力，在材料科學(xué)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。