聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡稱 FIB）技術，宛如一把納米尺度的“萬能鑰匙”，在材料加工、分析及成像領域大放異彩。它憑借高度集中的離子束，精準操控離子束與樣品表面的相互作用，實現納米級別的精細操作，為眾多學科和工業領域帶來了前所未有的機遇。

核心構成

FIB 系統的核心在于離子束的生成與調控。生成用于撞擊樣品的離子束，其中最為普遍的離子源類型為液態金屬離子源，尤其是采用液態鎵作為原料。金鑒實驗室配備了先進的FIB設備，能夠為客戶提供高質量的樣品制備，確保在進行離子束生成與調控時，樣品的特性得到準確反映。

接下來是加速與偏轉機制，該機制負責提升離子的速度，并利用電場或磁場的力量來精確調控離子束的行進路徑與形態，實現聚焦效果。

樣品室為待測試樣品提供了一個真空環境，內部維持著極高的真空度，防止外界因素干擾離子束的品質。而檢測系統則負責捕獲并分析離子束與樣品相互作用過程中釋放出的各類信號，如二次離子、二次電子等，為后續的分析工作提供關鍵數據，這些信號蘊含著樣品表面形貌、成分等豐富信息。

基本原理

離子束與樣品的相互作用是 FIB 技術的核心原理。

當高能離子束撞擊樣品時，會產生物理濺射效應，離子將自身攜帶的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，從而實現精密的材料去除作業，可用于切割、鉆孔或雕刻等復雜微納結構的制造任務。此外，FIB 技術還能用于新材料的沉積，通過向樣品室內引入特定的氣體前驅體，在離子束的轟擊下，這些氣體會發生分解反應，并在樣品表面形成一層均勻的薄膜沉積。離子束與樣品相互作用時，還會激發出二次電子、背散射離子等信號。這些信號可以被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。特別是對于結合了 SEM 功能的雙束系統，其成像質量更是得到了顯著提升，能夠實現高分辨率成像和精準的 FIB 加工的完美結合。

主要功能

1. 蝕刻

材料去除：FIB通過高能離子束轟擊樣品表面，利用物理濺射效應移除材料。這種能力使得FIB能夠在納米尺度上進行極其精細的切割、鉆孔或雕刻，廣泛應用于微電子器件的制造和修復。

故障分析：在半導體行業中，FIB用于定位和切除有問題的電路部分，以便進一步分析故障原因。

2. 沉積

材料添加：除了移除材料，FIB還能在特定位置沉積新材料。這通常涉及到引入一種氣體前驅體到樣品室中，在離子束的作用下，該氣體會分解并在樣品表面形成一層薄膜。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。

3. 成像

表面形貌觀察：當離子束撞擊樣品時，會產生二次電子、背散射離子等信號，這些信號可以被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然FIB的成像分辨率不如SEM，但它可以在加工前后立即對結果進行檢查。

雙束系統：現代FIB設備經常結合了SEM，形成了所謂的“雙束”系統，允許在同一臺儀器內完成高分辨率成像和精準的FIB加工。

4. 斷層掃描與三維重建

內部結構分析：通過一系列薄切片的連續截面圖像，可以構建出樣品內部結構的三維模型。這對于研究復雜材料的內部微觀結構非常有用，例如多層芯片中的互連結構或者生物組織的細胞間聯系。

5. 透射電子顯微鏡樣品制備

超薄樣本提取：FIB能夠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。這是傳統方法難以實現的，特別是對于硬質或脆性材料。

6. 納米操縱與組裝

納米級操作：利用FIB可以實現對單個納米粒子或納米線的操作，如移動、焊接或切割，這在納米科技的研究和發展中具有重要意義。

7. 材料改性

表面處理：FIB還可以用來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

優勢與局限

FIB 技術的優點顯而易見。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。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。在制備硬質或脆性材料 TEM 樣品方面表現出色，與 SEM 結合的雙束系統更是提升了工作效率，實現了即時檢查結果的便利性。然而，FIB 技術也存在一些局限性。設備購置價格昂貴，運行和維護成本也相當可觀，限制了其廣泛應用。加工速度相對較慢，不適合大規模生產或需要快速處理的應用場景。

應用領域

FIB 技術在眾多領域都有廣泛的應用。在微電子工業中，用于故障分析與修復，定位并切除有問題的電路部分，還能修補電路中的缺陷或創建新的連接。對于光刻過程中出現錯誤的掩膜版，FIB 可以進行精確的修復，減少重新制作掩膜的成本和時間。

1.在納米制造領域

FIB 能夠迅速構建納米級結構原型，加速研發進程。在納米線與納米孔制造方面，借助對離子束的精準操控，能夠在材料表面精確雕刻出納米級的線條、孔洞或其他精細結構，為新型納米器件的研發開辟了道路。

2.在材料科學中FIB 是制備 TEM 超薄樣品的理想工具，特別是對于硬質或脆性材料，它可以提取出足夠透明的薄片以供高分辨率觀察。

利用 FIB 的斷層掃描功能，可以構建樣品內部結構的三維模型，研究復雜材料的微觀結構和成分分布。

3.在生物學領域

FIB 可以用于制備生物樣本，如細胞或組織切片，然后結合 SEM 或 TEM 進行高分辨率成像，幫助研究人員了解細胞內部結構和功能。還允許對單個納米粒子或納米線進行操作，對于研究生物分子機器和納米藥物遞送系統非常重要。

4.在故障分析方面

FIB 可以通過局部蝕刻和沉積技術來隔離和訪問特定的電路節點，精確定位故障位置，并進行深入分析。聚焦離子束技術作為一種先進的納米加工技術，憑借其在微觀尺度上對材料進行原子級別操控的能力，在材料科學、納米技術、半導體制造、生物醫學等多個領域展現出了廣闊的應用前景。