FIB-SEM技术全解析：原理与应用指南

聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）双束系统是一种集成了聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）功能的高科技分析仪器。它通过结合气体沉积装置、纳米操纵仪、多种探测器和可控样品台等附件，实现了微区成像、加工、分析和操纵的一体化。这种系统在物理、化学、生物、新材料、农业、环境和能源等多个领域都有着广泛的应用。

FIB-SEM双束系统

1.系统结构与工作原理：FIB-SEM双束系统将FIB和SEM集成在一起，使样品可以同时受到电子束和离子束的作用。在测试过程中，通过旋转样品台，可以实现电子束的实时观察和离子束的切割或微加工。在典型的双束FIB-SEM系统中，电子束垂直于样品台，而离子束与样品台成一定角度。工作时，样品台旋转至52度位置，使得离子束与样品台垂直，便于加工，而电子束则与样品台成一定角度，便于观测截面内部结构。

FIB-SEM双束系统的结构示意图

2.离子源与聚焦：目前，液态镓（Ga）离子源因其低熔点、低蒸气压和易获得高密度束流而被广泛应用。Ga离子在电场作用下从针尖发射，形成尖端半径约2纳米的锥形体，通过静电透镜聚焦在样品上，实现精细加工和显微分析。

FIB-SEM 双束系统工作原理示意图

FIB-SEM的功能

1. 电子束成像：用于定位样品、获取微观结构和监测加工过程。

2. 离子束刻蚀：用于截面观察和图形加工。

3. 气体沉积：用于图形加工和样品制备。

4. 显微切割：制备微米大小纳米厚度的超薄片试样，用于TEM和同步辐射STXM分析。

5. 纳米尺寸样品制备：用于APT分析，获取微量元素和同位素信息。

6. 三维重构分析：结合SEM成像、FIB切割及EDXS化学分析，进行微纳尺度的三维重构。

FIB-SEM的应用

1. 微纳结构加工：制备纳米量子电子器件、亚波长光学结构等。

2. 截面分析：表征截面形貌尺寸，分析截面成分。

3. TEM样品制备：通过FIB加工制取电子透明的观测区。

4. 三维原子探针样品制备：选取感兴趣区域，制备尖锐针尖样品。

5. 芯片修补与线路修改：改变线路连线方向，校正芯片误差。

6. 三维重构分析：通过FIB逐层切割和SEM成像，进行三维结构和成分分析。

FIB-SEM案例

1.微纳结构加工：FIB系统能够直接刻出或沉积所需图形，制备复杂的功能性结构，如纳米量子电子器件和光子晶体结构。

2.截面分析：FIB溅射刻蚀功能可用于定点切割试样并观测横截面，结合EDS分析截面成分，广泛应用于芯片和LED的失效分析。

3.TEM样品制备：非提取法和提取法两种方法，通过FIB加工制取电子透明的观测区，或提取并减薄样品以获得优质TEM照片。金鉴实验室的专业团队熟练掌握这一技术原理，能够为客户提供高质量的TEM样品制备，确保研究结果的准确性。

4.三维原子探针样品制备：选取感兴趣区域，挖V型槽，切开底部，用纳米机械手取出样品，转移到固定样品支座上，用Pt焊接并形成尖锐针尖，最后进行低电压抛光。

5.芯片修补与线路修改：利用FIB的溅射和沉积功能，切断或连接线路，校正芯片误差，减少研发成本并加快研发进程。

6.三维重构分析：通过FIB逐层切割和SEM成像，结合EDS和EBSD，对材料的结构形貌、成分、取向、晶粒形貌等进行三维空间表征。