FIB系统的结构及其实际应用

双束技术：FIB与SEM的协同工作

双束聚焦离子束显微镜的关键在于其双束技术，离子束（FIB）用于样品的精确切割和蚀刻，而电子束（SEM）则捕捉样品的高分辨率图像。SEM垂直安装，FIB则以一定角度倾斜安装，两者之间形成52°的夹角，这种设计使得SEM能够提供高达100万倍的放大倍数，有效弥补了单束FIB成像分辨率的不足。

FIB机台的核心组件

1. 操控器（Manipulator）：用于精确控制样品的位置或拾取微小的加工部件，确保加工过程的精确性。

2. 二次电子检测器（ETD）：检测样品表面的二次电子信号，生成高分辨率的表面形貌图像。

3. 背散射电子探测器（BSE Detector）：检测背散射电子信号，与样品的原子序数相关，适用于观察材料的成分分布或原子序数对比。

4. 气体注入系统（Gas Injection System, GIS）：向加工区域注入气体，用于辅助刻蚀或沉积。

5. 能量色散X射线探测器（EDS Detector）：分析样品的元素组成成分。

6. 电子背散射衍射探测器（EBSD Detector）：获取样品的晶体结构、取向和应力等信息。

单束FIB机台的精密构造

单束FIB机台的核心是液态金属离子源，通常使用液态镓作为离子源。这种离子源通过电场加速液态金属中的离子，形成高能离子束，用于样品的加工和分析。

离子束的聚焦与调节

1. 聚光透镜（Condenser Lens）：预先聚焦离子束，提高束流密度。

2. 束选择孔径（Beam Selective Aperture）：选择离子束的直径和角度，过滤不必要的离子，控制最终束斑尺寸。

3. 四极透镜（Quadrupole）：调节离子束的形状，提高束流的方向性和均匀性。

4. 遮挡板（Blanking Plates）：通过施加电场偏转离子束，避免无效曝光，快速控制离子束的开闭。

5. 八极透镜（Octupole）：校正高阶像差，确保离子束的高精度聚焦能力。

6. 物镜（Objective Lens）：调整离子束束斑的大小和形状，以适应不同的加工需求。

FIB制样的多样性

精密切割：

通过粒子的物理碰撞来实现样品的精确切割。

材料选择性蒸镀：

利用离子束能量分解有机金属蒸汽或气相绝缘材料，实现导体或非导体的局部沉积。

高分辨率SEM成像：

利用SEM的高分辨率图像进行精密的终点探测。

制备TEM样品：

FIB技术能够直接从样品中切取薄膜，用于透射电镜（TEM）的研究。

元素组分的半定量分析：

配备能谱仪（EDX）进行样品元素组分的半定量分析。

FIB技术的实际应用

截面切割与表征分析：

FIB的溅射刻蚀功能允许对样品进行精确的定点切割，观察其横截面的形貌和尺寸，并结合元素分析系统对截面成分进行分析。

芯片修复与线路修改：

FIB技术能够改变电路连线的方向，诊断并修正电路中的错误，直接在芯片上进行修改，降低研发成本，加快研发速度。

TEM样品制备：

FIB技术辅助TEM样品制备，缩短了样品制备的时间，提高了制样的精确度和成功率。

纳米器件的制造：

FIB技术能够在器件表面进行纳米级别的加工，对于纳米电子器件的制造和研究具有重要意义。随着技术的不断进步，FIB技术在半导体领域的重要性日益凸显，它不仅推动了科技的发展，也为半导体技术的未来发展提供了无限可能。