技術原理

聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion Beam, FIB）的核心在于其獨特的鎵（Ga）離子源。

鎵金屬因其較低的熔點（29.76°C）和在該溫度下極低的蒸氣壓（?10^-13 Torr），成為理想的離子源材料。在真空環境下，液態鎵沿著燈絲流動至針尖，在強外加電場作用下，針尖處的液態鎵被拉伸成曲率半徑極小的圓錐體（Taylor cone），鎵離子由此被游離并噴出，形成高度聚焦的鎵離子束。這種離子源尺寸極小（小于 10 nm），能量分散低（約 4.5 eV），亮度高（約 10^6 A/cm2.sr），使其成為納米結構加工的利器，猶如一把精準的 “納米雕刻刀”。

系統構成：多組件協同的精密平臺

聚焦離子束顯微鏡的系統由多個關鍵組件構成。液態離子源是產生鎵離子束的源頭，為后續加工提供能量載體。

聚焦與掃描透鏡系統負責將離子束精確聚焦并引導至樣品表面，實現對樣品的精準加工。樣品移動平臺可實現樣品在三維空間內的精確移動，確保離子束能夠作用于樣品的任意指定位置。反應氣體噴嘴用于引入各種反應氣體，如 Br?、XeF?、TEOS 等，這些氣體在離子束作用下與樣品發生化學反應，實現不同的加工效果，如金屬沉積、蝕刻等。信號偵測器則用于收集加工過程中產生的信號，如二次電子信號、二次離子信號等，為加工過程的監控和分析提供依據。這些組件協同工作，使聚焦離子束顯微鏡能夠實現選區濺射去除物質、金屬沉積與蝕刻、絕緣層沉積與蝕刻等多種功能，成為微機電（MEMS）加工的重要工具平臺。

雙束系統：納米級精準定位與切割

聚焦離子束顯微鏡還可配備電子束系統，形成雙束聚焦離子顯微鏡（Dual Beam FIB）。這種雙束系統同時具備掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）和聚焦離子束顯微鏡的功能。

而離子束則用于精密切割目標區域，由于離子束加工過程中不會對樣品的其他結構造成破壞，因此可以實現納米級精確的位置定位與切割，以及納米級的透射電子顯微鏡（TEM）試樣薄片制作。這種雙束系統的結合，極大地提高了樣品加工的精度和效率，為微觀結構的研究和分析提供了更為強大的工具。

實際應用：多領域中的關鍵角色

1.橫截面結構觀察

在故障分析和制程監控等領域，FIB 的橫截面結構觀察功能發揮著重要作用。雙束 FIB 可以精確地在需要進行剖面切割的位置進行開挖。首先，利用電子束影像（即 SEM 影像）來搜尋欲切割的位置并進行定位，然后以 FIB 進行切割。剖面完成后，再以電子束來取得斷面的影像。

2.TEM 試片制備FIB 在透射電子顯微鏡（TEM）試片制備方面也有多種應用方法，主要包括預先薄化法（Pre-Thin）、靜電吸取法（Lift-out）和探針取出法（Omni-probe）。

預先薄化法是先將試片通過研磨方式減薄到 5 - 10 um，然后再利用 FIB 進一步減薄至可供 TEM 觀察的 0.1 um 厚度。

這種方法的優點是可以得到非常大面積（約 50 um）且厚度均勻的 TEM 試片，且由于薄區四周仍由相同材質的材料固定，試片不會出現變形或卷曲。但其缺點是需要經過研磨和 FIB 切割兩個步驟，較為費工、耗時，且存在研磨失敗的風險。

靜電吸取法則是先用 FIB 將取樣區減薄，再以 U 形切割將薄片與樣品分離，最后利用玻璃探針以靜電吸附方式將薄片取出并置于具碳膜的銅網上。

這是目前最快速省時的 TEM 試片制備法，每個試片的制作工時在 1 小時以下，適合大量 TEM 試片的制作。然而，這類試片一旦放置在碳膜上，就無法再進行任何加工或重工，試片的最終厚度需要依賴 FIB 工程師的經驗來判斷，難以保證試片的最佳品質。

探針取出法是將試片先用 FIB 粗切至 1 - 2 mm 左右脫離樣品，然后以 FIB 沉積 Pt 將探針與試片焊在一起，移動探針將試片移至試片座，并以 FIB 沉積 Pt 將試片焊在試片座上，之后再用 FIB 將探針切離試片，最后將試片細修至可供 TEM 觀察的薄度。

這種方法是最復雜、最耗時的 TEM 試片制備法，全部工時大約在 1.5 - 2 小時之間。但它的優點在于，試片在 TEM 觀察后，若有任何需要局部修整的厚度問題，可以反復進出 FIB 進行再加工，從而保證 TEM 試片制備的零失誤與零風險，通常用于非常重要的試片分析。

總結

聚焦離子束顯微鏡憑借其獨特的鎵離子源、精密的系統構成以及多種實際應用功能，在微觀世界的加工和分析領域扮演著不可或缺的角色。