聚焦离子束一电子束(FIB-SEM)双束系统原理

纳米科技是当前科学研究的前沿领域，纳米测量学和纳米加工技术在其中扮演着至关重要的角色。电子束和离子束等工艺是实现纳米尺度加工的关键手段。特别是聚焦离子束（FIB）系统，通过结合高强度的离子束和实时观测技术，为纳米器件的制造和加工提供了新的可能性。金鉴实验室在这一领域拥有丰富的经验和专业的设备，能够为客户提供全面的测试和分析服务。本文将详细介绍聚焦离子束系统的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。

 

一、聚焦离子束系统的结构与原理

 

 

1. 系统结构：

聚焦离子束系统的核心是离子柱，位于样品室顶部，包含液态金属离子源、聚焦装置、束流限制和偏转装置等。样品室内设有五维可调样品架，实现多方向分析和处理。

2. 工作原理：

离子柱尖端的液态离子源在强电场作用下提取带有正电荷的离子，通过静电透镜和四极/八级偏转装置进行聚焦和扫描。系统在高真空状态下工作，以防止离子束受到气体分子的影响。金鉴实验室拥有高端的聚焦离子束设备，能够进行精确的样品定位与分析，为客户提供可靠的测试结果，确保研究的顺利进行。

 

二、聚焦离子束的应用：

 

为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

 

1. 离子束成像：

 

利用探测器接收激发出的二次电子来成像，聚焦离子束轰击样品表面，激发出二次电子、中性原子、二次离子和光子等。与扫描电子显微镜相比，离子束成像能更真实地反映材料表层的详细形貌。

 

2. 离子束刻蚀：

 

包括物理离子束刻蚀和反应离子束刻蚀，通过离子束的动量传递和化学反应实现材料的刻蚀。适用于纳米级材料的加工，如氧化锌纳米带的刻蚀。

 

 

图2. 光纤上精确刻蚀的线宽140 nm的周期结构。Bar：2um

 

3. 离子束沉积薄膜：

 

利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料和非金属材料。通过气体注入系统将金属有机物气体喷涂在样品上，离子束能量使有机物分解，固体成分被沉积下来。

 

图3. 气体注入沉积工作原理图

4. 离子注入：

利用聚焦离子束系统进行无掩模注入离子，精确控制注入的深度和广度。与传统掩模注入法相比，节省成本和加工时间。

 

图4. FIB在Can衬底上沉积的SiO2：环形结构。Bar=2um

 

5. 透射电子显微镜样品制备：

利用聚焦离子束技术精确定位样品，减少因离子束轰击而引起的损伤。通过在样品保留区域上沉积一层Pt，保护该区域并逐步调整聚焦离子束的束流，实现高质量的“薄墙”制备。

 

图5. 透射电镜精确定位样品制备示意图

 

图6. 透射电镜样品制备实例
 

 

利用其微加工和定位功能辅助透射电镜制样，大大缩短了精确定位透射电镜样品制备时间，提高了制样精确度和成功率。结合扫描电镜、透射电镜、X射线能谱和二次离子质谱等可在微米、纳米尺度进行微区剖面形貌、结构和组分析旧引，极大地支持了微纳米器件工艺评价和失效分析工作。

 

三、聚焦离子束电子束双束系统

 

金鉴实验室的双束系统在多种研究领域中展现出优越的性能，能够为客户提供全面的分析和测试服务。

 

1. 系统优势：

 

结合了聚焦离子束和电子束的优点，避免了各自的缺陷。扫描电子束可中和离子束轰击在样品表面残留的正电荷，反之亦然。

 

图7. 聚焦离子束电子束双束系统结构示意图

 

2. 应用领域：

广泛应用于纳米科技、材料科学和生命科学领域的研究。配备X射线能谱（EDX）和背散射电子衍射仪（EBSD）进行微区成分分析和材料结构分析。

 

四、展望

 

1. 技术挑战：

 

随着集成电路器件体积的减小和密度的增加，分析设备的空间分辨率和杂质探测灵敏度要求越来越高。

 

2. 技术进步聚：

 

焦离子束技术在集成电路、半导体产业等领域的应用促进了其自身技术的进步，技术指标不断提高，应用范围更为广泛。金鉴实验室作为一家提供检测、鉴定、认证和研发服务的第三方检测与分析机构，拥有先进的测试设备和专业的技术团队，能够确保材料检测的准确性和可靠性。实验室还积极参与国际标准的制定和更新，以确保服务的前瞻性和国际化水平。