聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）技術，堪稱微觀世界的納米“雕刻師”，憑借其高度集中的離子束，在納米尺度上施展著加工、分析與成像的精湛技藝。FIB 技術以鎵離子源為核心，通過精確調控離子束與樣品表面的相互作用，實現納米級的精細操作，廣泛應用于材料科學、微電子、納米制造等多個前沿領域。

FIB 系統的基本構成

1.離子源

液態金屬離子源是 FIB 系統的核心部件，其中液態鎵離子源最為常見。鎵金屬在加熱至熔融狀態后，形成尖銳的發射極。在強電場作用下，鎵原子逐個或少量地被抽取出離子，進入加速電場區域。數千伏特的加速電壓賦予離子足夠的動能，使其具備撞擊樣品、誘發物理效應的能力。這種高能離子束是 FIB 技術實現微觀加工的基礎。

2.加速與偏轉系統

加速后的離子束并非直接作用于樣品，而是要經過一系列電磁透鏡的聚焦。這些透鏡如同微調工具，將離子束細化、集中，使其直徑可在幾納米至幾百納米間靈活變化，達到納米級操作精度。偏轉系統則通過調節偏轉板上的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區域，實現對離子束方向的靈活操控，確保其能精準定位至樣品表面的任意位置。這種精準操控能力是 FIB 技術實現復雜微觀結構加工的關鍵。

3.樣品室與檢測系統

樣品室負責承載待測試樣品，內部維持著極高的真空度，通常在 10?? Torr 甚至更高。這種高真空環境可有效避免空氣分子對離子束的干擾，確保離子束的品質和穩定性。檢測系統負責收集由離子束與樣品交互產生的信號，如二次離子、二次電子等。

FIB 技術的微觀運作機制

1.離子束的生成與加速

液態鎵離子源在強電場作用下，從發射極尖端逐個抽取鎵離子。這些離子進入加速電場區域，獲得數千伏特的加速電壓賦予的高動能，為后續撞擊樣品、誘發物理效應做好準備。

2.離子束的聚焦與掃描

加速后的離子束經過電磁透鏡的聚焦，直徑可靈活變化，達到納米級精度。偏轉系統通過調節偏轉板的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區域，實現精準定位與操作。

3.離子束 - 樣品交互作用蝕刻原理：

高能離子束撞擊樣品時，離子將高動能傳遞給樣品原子，導致這些原子被高速彈出樣品表面，實現材料的精密去除。

沉積技術：

通過向樣品室內引入特定氣體前驅體，在離子束轟擊下，氣體分解并在樣品表面形成均勻薄膜沉積。這種方法可用于修補電路、創建導電連接或制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品支架，為微觀加工提供了更多的可能性。

成像機制：

離子束與樣品相互作用時，會激發出二次電子、背散射離子等信號。通過檢測這些信號，可獲取樣品表面形貌的詳細信息，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。結合 SEM 功能的雙束系統，成像質量可進一步提升。

FIB 技術的主要功能

蝕刻：

FIB 利用高能離子束的物理濺射效應，可在納米尺度上進行極其精細的切割、鉆孔或雕刻。它廣泛應用于微電子器件的制造和修復，如定位并切除有問題的電路部分，以便進一步分析故障原因。

沉積：

FIB 不僅能移除材料，還能在特定位置沉積新材料。通過引入氣體前驅體，在離子束作用下分解并形成薄膜沉積。這種方法可用于修補損壞的電路、創建導電連接或制備 TEM 樣品支架，為納米制造提供了更多可能性。

成像：

離子束與樣品相互作用產生的信號可被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然 FIB 的成像分辨率略低于 SEM，但它可以在加工前后立即對結果進行檢查。現代 FIB 設備常結合 SEM 形成“雙束”系統，實現高分辨率成像與精準 FIB 加工的完美結合。

斷層掃描與三維重建：

通過一系列薄切片的連續截面圖像，FIB 可構建出樣品內部結構的三維模型。

TEM 樣品制備：

FIB 能從塊狀材料中提取厚度僅為數十納米的薄片，這些薄片足夠透明以供 TEM 觀察內部結構。對于硬質或脆性材料，FIB 是制備 TEM 樣品的理想選擇，傳統方法難以實現如此精細的樣品制備。這種能力使得 FIB 技術在材料科學和生物學研究中具有重要的應用價值。

納米操縱與組裝：

利用 FIB 可實現對單個納米粒子或納米線的操作，如移動、焊接或切割。

材料改性：

FIB 可用于改變材料的表面特性，例如通過局部摻雜或改變化學成分來調整其電學、光學或其他物理性質。這種表面處理能力為開發新材料、優化材料性能提供了新的途徑。

FIB 技術的優點

高精度：

具備納米級別的分辨率與定位精度，完美契合微納制造與精密加工的需求。

多功能性：

單一設備即可實現蝕刻、沉積及成像等多種功能，有效簡化了處理流程。

快速原型制作：

無需依賴傳統掩膜版，顯著縮短了研發周期，促進了快速原型制作。

局部化處理：

能夠針對特定區域實施精確作業，而對周圍環境保持無影響。

材料改性：

通過改變材料表面特性，實現材料性能的顯著提升與改良。

TEM 樣品制備：

是制備硬質或脆性材料 TEM 樣品的理想選擇。

雙束系統：

與 SEM 結合的雙束系統，不僅提升了工作效率，還實現了即時檢查結果的便利性。

FIB 技術在微電子工業的應用

1. 故障分析與修復

在半導體行業中，FIB技術被廣泛用于故障定位與分析。當集成電路（IC）出現故障時，FIB可以通過高精度的離子束對芯片進行局部切割和移除，從而暴露出故障區域，以便進一步分析故障原因。例如，在PCB和IC載板行業，FIB技術常用于盲孔底部分析和異物分析，確保電路板和集成電路的可靠性和穩定性。此外，FIB技術還能夠用于電路修復。通過濺射或沉積功能，FIB可以在納米尺度上對電路進行修改和優化。例如，在電路設計過程中，如果需要對成品進行修改，FIB可以通過沉積金屬或絕緣材料來修復損壞的電路，或者創建新的連接。這種靈活性顯著降低了研發成本，加快了研發速度。

2. 掩膜版修復

在光刻過程中，掩膜版的精度直接影響到芯片制造的質量。然而，掩膜版在使用過程中可能會出現缺陷或損壞。FIB技術可以對掩膜版進行精確修復，通過離子束的蝕刻和沉積功能，去除缺陷部分并填補缺失部分。這種方法不僅減少了重新制作掩膜的成本和時間，還提高了掩膜版的使用壽命。