FIB-SEM双束系统的工作原理与应用

聚焦离子束（Focus ion beam，FIB）结合扫描电子显微镜（Scanning electronmicroscopy，SEM）结合形成的双束系统，是现代微纳加工与表征领域的重要工具。该系统同时具备高精度加工能力和高分辨率成像功能，在材料科学、半导体工业、生物技术等领域发挥着关键作用。

 

FIB-SEM发展与基本功能

 

1.FIB-SEM发展

 

从材料科学的角度来看，FIB能够以几乎无应力的方式进行超精细加工，对材料几乎没有特殊要求，因而最早在半导体行业中如光刻、光掩模维修，电路修改，故障诊断分析和样品制备等方面得到大规模应用。由于有效解决了与聚合物、绝缘体、半导体和金属等材料有关的超精细加工问题，双束系统在材料科学领域的应用也越来越广泛，为基础研究和技术实现提供了广阔的空间。

 

2.FIB-SEM基本功能

 

FIB-SEM系统主要依靠三种基本功能实现其应用：成像、铣削刻蚀和沉积。

 

（1）成像功能通过聚焦离子束扫描样品表面实现。当高能离子束入射到样品表面时，会与样品原子发生相互作用，产生二次电子、二次离子等信号。这些信号被探测器收集后，可形成样品表面的高分辨率图像。离子成像与电子成像相互补充，可提供更全面的样品信息。

 

（2）铣削刻蚀是FIB的核心功能之一。高能镓离子撞击样品表面时，通过动量传递使样品原子发生溅射，从而实现材料的去除。通过精确控制离子束的扫描路径和参数，可在纳米尺度上对材料进行加工。

 

（3）沉积功能通过结合离子束和化学气相沉积技术实现。系统通入前驱体气体，在离子束的激发下，气体分子在特定区域分解并沉积形成金属或绝缘体薄膜。该方法可实现纳米精度的定点材料沉积

 

FIB-SEM 应用

 

1.透射电镜样品制备

 

透射电子显微镜对样品要求极为严格，需要将样品减薄至100纳米以下。传统机械研磨方法难以精确定位且容易引入损伤。

 

FIB-SEM 双束系统是 TEM 高质量制样的核心技术，能解决传统方法（机械研磨、常规离子减薄）定位难、损伤大、均匀性差的痛点，支撑原子级 TEM 分析。其核心逻辑是：用 SEM 实时成像锁定纳米级目标区域（如缺陷、界面），再通过 FIB 可控离子束“粗切 + 精切”，制备出 低损伤的超薄样品，还可搭配纳米操纵臂实现 “切取 - 转移” 一体化。

 

2.FIB-SEM 双束系统在微纳加工的应用

 

FIB-SEM系统能够直接进行微纳尺度的器件加工。通过精确控制离子束，可在材料表面加工出纳米级孔洞、线条等结构。在集成电路领域，该系统可用于修复缺陷电路、修改电路设计。此外，结合沉积功能，还可制备微机电系统（MEMS）器件、光学元件等微纳结构。