FIB-SEM的原理及应用

发布网友发布时间：2024-10-18 07:51

共1个回答

热心网友时间：2024-11-23 04:12

聚焦离子束（FIB）是一种在材料科学领域中用于沉积、剥蚀或材料选区分析的技术。FIB设备类似于扫描电子显微镜（SEM），但使用聚焦离子束而非聚焦电子束进行成像。FIB的原理在于通过施加聚焦离子束以排斥样品表面的原子，从而实现对样品的刮擦加工。FIB的分辨率极高，可以从几百纳米聚焦到几纳米，允许在纳米区域内对样品进行精细处理。经过FIB处理的样品，能够实现纳米级切割，切割后的原子会在周围区域重新沉积，从而可以获得样品任意切面的图像。

聚焦离子束的历史可以追溯到1975年，Levi-Setti、Orloff和Swanson开发了首个基于场发射技术的FIB系统。同年，Krohn和Ringo生产了第一款高亮度离子源：液态金属离子源（LMIS）。1978年，美国加州Hughes Research Labs的Seliger等人建造了第一套基于LMIS的FIB系统。1988年，第一台结合了聚焦离子束与扫描电镜（FIB-SEM）的双束系统被成功开发出来，该系统可以在FIB系统上增加传统的扫描电子显微镜功能，通过样品台的倾转，同时实现电子束成像和离子束加工。

FIB系统的工作原理类似于SEM，但使用离子束进行成像。在低主束电流下，几乎不会溅射任何材料，成像分辨率达到5 nm；在高主束电流下，可以通过溅射除去大量材料，实现精确研磨切割。FIB系统的核心是离子源，早期的离子源主要集中在质谱学和核物理学的研究中发展。随着半导体工业中离子注入工艺的发展，离子源得到了进一步的推动。离子源按照工作原理大致可以分为三类：电子轰击型离子源、气体放电型离子源和场致电离型离子源。其中，液态金属离子源（LMIS）的出现真正使得FIB系统得以实现和广泛应用。

LMIS的结构包括直径为0.5 mm左右的钨丝电解腐蚀成尖端直径只有5-10 μm的钨针，熔融状态的液态金属粘附在针尖上，外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（约5 nm的泰勒锥），尖端处电场强度高达1010 V/m。在如此高的电场下，液尖表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。LMIS的离子发射是一个复杂的动态过程，需要满足发射表面具有一定形状、表面电场维持一定的发射电流与液态金属流速以及表面流速维持与发射电流相应的物质流量损失等条件。

FIB系统的结构从本质上讲与电子束曝光系统相似，由离子发射源、离子光柱、工作台、真空与控制系统等组成。离子聚焦成细束的核心部件是离子光学系统，与电子光学系统相比，离子具有远小于电子的荷质比，因此磁场不能有效地*离子束的运动，目前聚焦离子束系统只采用静电透镜和静电偏转器。FIB-SEM双束系统可同时使用离子束或电子束成像，但具体条件有一定差别。在FIB-SEM双束系统中，离子束主要功能有离子束成像、切割、沉积/增强刻蚀，而电子束则主要用于观察离子束加工位点的截面和表面。

FIB-SEM在材料科学中的应用广泛，从离子束成像、切割到沉积/增强刻蚀，以及电子束成像，都为材料科学的研究提供了有力的工具。通过FIB切割后，使用SEM成像可以得到材料任意微观截面的电子相图。在FIB-SEM中，观察多晶材料截面时，沿不同的晶面入射时穿透深度不同，这种晶体取向衬度为多晶材料取向研究提供了方便。此外，FIB-SEM技术在微系统技术、材料科学和半导体工业等领域也扮演着重要角色。