聚焦離子束一電子束(FIB-SEM)雙束系統(tǒng)原理

納米科技是當前科學研究的前沿領(lǐng)域，納米測量學和納米加工技術(shù)在其中扮演著至關(guān)重要的角色。電子束和離子束等工藝是實現(xiàn)納米尺度加工的關(guān)鍵手段。特別是聚焦離子束（FIB）系統(tǒng)，通過結(jié)合高強度的離子束和實時觀測技術(shù)，為納米器件的制造和加工提供了新的可能性。金鑒實驗室在這一領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗和專業(yè)的設備，能夠為客戶提供全面的測試和分析服務。本文將詳細介紹聚焦離子束系統(tǒng)的工作原理、應用領(lǐng)域以及未來的發(fā)展趨勢。

一、聚焦離子束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

聚焦離子束系統(tǒng)的核心是離子柱，位于樣品室頂部，包含液態(tài)金屬離子源、聚焦裝置、束流限制和偏轉(zhuǎn)裝置等。樣品室內(nèi)設有五維可調(diào)樣品架，實現(xiàn)多方向分析和處理。

2. 工作原理：

離子柱尖端的液態(tài)離子源在強電場作用下提取帶有正電荷的離子，通過靜電透鏡和四極/八級偏轉(zhuǎn)裝置進行聚焦和掃描。系統(tǒng)在高真空狀態(tài)下工作，以防止離子束受到氣體分子的影響。金鑒實驗室擁有高端的聚焦離子束設備，能夠進行精確的樣品定位與分析，為客戶提供可靠的測試結(jié)果，確保研究的順利進行。

二、聚焦離子束的應用：

為了方便大家對材料進行深入的失效分析及研究，金鑒實驗室具備Dual Beam FIB-SEM業(yè)務，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。

1. 離子束成像：

利用探測器接收激發(fā)出的二次電子來成像，聚焦離子束轟擊樣品表面，激發(fā)出二次電子、中性原子、二次離子和光子等。與掃描電子顯微鏡相比，離子束成像能更真實地反映材料表層的詳細形貌。

2. 離子束刻蝕：

包括物理離子束刻蝕和反應離子束刻蝕，通過離子束的動量傳遞和化學反應實現(xiàn)材料的刻蝕。適用于納米級材料的加工，如氧化鋅納米帶的刻蝕。

圖2. 光纖上精確刻蝕的線寬140 nm的周期結(jié)構(gòu)。Bar：2um

3. 離子束沉積薄膜：

利用離子束的能量激發(fā)化學反應來沉積金屬材料和非金屬材料。通過氣體注入系統(tǒng)將金屬有機物氣體噴涂在樣品上，離子束能量使有機物分解，固體成分被沉積下來。

圖3. 氣體注入沉積工作原理圖

4. 離子注入：

利用聚焦離子束系統(tǒng)進行無掩模注入離子，精確控制注入的深度和廣度。與傳統(tǒng)掩模注入法相比，節(jié)省成本和加工時間。

圖4. FIB在Can襯底上沉積的SiO2：環(huán)形結(jié)構(gòu)。Bar=2um

5. 透射電子顯微鏡樣品制備：

利用聚焦離子束技術(shù)精確定位樣品，減少因離子束轟擊而引起的損傷。通過在樣品保留區(qū)域上沉積一層Pt，保護該區(qū)域并逐步調(diào)整聚焦離子束的束流，實現(xiàn)高質(zhì)量的“薄墻”制備。

圖5. 透射電鏡精確定位樣品制備示意圖

圖6. 透射電鏡樣品制備實例

利用其微加工和定位功能輔助透射電鏡制樣，大大縮短了精確定位透射電鏡樣品制備時間，提高了制樣精確度和成功率。結(jié)合掃描電鏡、透射電鏡、X射線能譜和二次離子質(zhì)譜等可在微米、納米尺度進行微區(qū)剖面形貌、結(jié)構(gòu)和組分析舊引，極大地支持了微納米器件工藝評價和失效分析工作。

三、聚焦離子束電子束雙束系統(tǒng)

金鑒實驗室的雙束系統(tǒng)在多種研究領(lǐng)域中展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，能夠為客戶提供全面的分析和測試服務。

1. 系統(tǒng)優(yōu)勢：

結(jié)合了聚焦離子束和電子束的優(yōu)點，避免了各自的缺陷。掃描電子束可中和離子束轟擊在樣品表面殘留的正電荷，反之亦然。

圖7. 聚焦離子束電子束雙束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2. 應用領(lǐng)域：

廣泛應用于納米科技、材料科學和生命科學領(lǐng)域的研究。配備X射線能譜（EDX）和背散射電子衍射儀（EBSD）進行微區(qū)成分分析和材料結(jié)構(gòu)分析。

四、展望

1. 技術(shù)挑戰(zhàn)：

隨著集成電路器件體積的減小和密度的增加，分析設備的空間分辨率和雜質(zhì)探測靈敏度要求越來越高。

2. 技術(shù)進步聚：

焦離子束技術(shù)在集成電路、半導體產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的應用促進了其自身技術(shù)的進步，技術(shù)指標不斷提高，應用范圍更為廣泛。金鑒實驗室作為一家提供檢測、鑒定、認證和研發(fā)服務的第三方檢測與分析機構(gòu)，擁有先進的測試設備和專業(yè)的技術(shù)團隊，能夠確保材料檢測的準確性和可靠性。實驗室還積極參與國際標準的制定和更新，以確保服務的前瞻性和國際化水平。