FIB原理及常见应用

聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）技术是一种强大的微纳加工和分析工具，它利用高度聚焦的离子束对材料表面进行纳米尺度的刻蚀、沉积、成像和成分分析。

 

FIB 系统的基础架构

 

聚焦离子束技术的核心在于将特定元素（如镓元素）的离子化为带正电的离子（Ga+），并通过电场加速使其获得高能量。随后，借助静电透镜系统将这些高速离子束精确聚焦到目标位置。这一过程与扫描电子显微镜（SEM）的工作原理有一定的相似性，但关键区别在于所使用的粒子类型：FIB 使用的是镓离子（Ga+），而 SEM 使用的是电子。

 

这种高能量的离子束能够对样品进行微观层面的加工和分析，例如材料的溅射、沉积以及结构观察等。

 

FIB技术的工作原理
 

离子的产生与加速：

 

离子源是离子产生的关键场所，以液态镓离子源为例，金属被加热成液态后，在尖端形成离子发射点。离子提取后进入加速电压区域，经过几千伏特的加速，获得足够的动能，为后续撞击样品、产生各种效应奠定基础。

 

离子束的聚焦与扫描：

 

加速后的离子束需要经过聚焦系统的 “雕琢”，一系列电磁透镜发挥作用，将离子束调整得更细更集中，实现纳米级别的精度，离子束直径可在几纳米到几百纳米之间灵活变化。同时，偏转系统通过施加电压或电流，改变离子束方向，使其能够按照预设路径在样品表面进行精确扫描。

 

与样品的相互作用
 

蚀刻机制：

 

当高能离子束轰击样品时，物理溅射现象随之发生。入射离子将动能传递给样品原子，使其脱离样品表面，实现材料的去除，从而能够完成切割、钻孔、雕刻等精细操作，打造出复杂的微结构。

 

沉积机制：

 

在特定条件下，FIB 技术还具备沉积新材料的能力。引入特定气体前驱体到样品室，在离子束作用下，气体分解并在样品表面沉积，形成一层薄膜，可用于电路修补、导电连接创建等。

 

成像机制：

 

离子束撞击样品会产生二次电子、背散射离子等信号，检测这些信号能够生成样品表面形貌信息，类似于扫描电子显微镜的成像原理。现代双束系统结合了 SEM 功能，进一步提升了成像质量。

 

FIB技术的主要应用

 

聚焦离子束系统除了具有电子成像功能外，由于离子具有较大的质量，经过加速聚焦后还可对材料和器件进行蚀刻、沉积、离子注入等加工。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

 

1.离子束成像

 

聚焦离子束轰击样品表面，激发二次电子、中性原子、二次离子和光子等，收集这些信号，经处理显示样品的表面形貌。目前聚焦离子束系统成像分辨率已达到5nm，比扫描电镜稍低，但成像具有更真实反映材料表层详细形貌的优点。

 

2.离子束蚀刻

 

高能聚焦离子束轰击样品时，其动能会传递给样品中的原子分子，产生溅射效应，从而达到不断蚀刻，即切割样品的效果。其切割定位精度能达到5nm级别，具有超高的切割精度。使用高能了离子束将不活泼的卤化物气体分子变为活性原子、离子和自由基，这些活性基团与样品材料发生化学反应后的产物是挥发性，当脱离样品表面时立刻被真空系统抽走。这些腐蚀气体本身不与样品材料发生作用，由由离子束将其离解后，才具有活性，这样便可以对样品表面实施选择性蚀刻。在集成电路修改方面有着重要应用。

 

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一些金属有机物气体喷涂在样品上需要沉积的区域，当离子束聚焦在该区域时，离子束能量使有机物发生分解，分解后的金属固体成分被沉积下来，而挥发性有机物成分被真空系统抽走。

 

4.离子注入

 

聚焦离子束的一个重要应用时可以无掩模注入离子。掩模注入是半导体领域的一项基本操作技术，利用聚焦离子束技术的精确定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半导体材料和器件上特定的点或者区域进行离子注入，精确控制注入的深度和广度。

 

5.透射电镜样品制备

 

在材料分析领域，FIB 技术还被广泛应用于透射电子显微镜（TEM）样品的制备。传统方法是通过手工研磨和离子溅射减薄来制样，不但费时而且还无法精确定位。

 

聚焦离子束在制作透射电镜样品时，不但能精确定位，还能做到不污染和损伤样品。