FIB常见应用明细及原理分析

系统及原理

双束聚焦离子束系统可简单地理解为是单束聚焦离子束和普通SEM之间的耦合。单束聚焦离子束系统包括离子源，离子光学柱，束描画系统，信号采集系统，样品台五大部分。离子束镜筒顶部为离子源，离子源上施加强大电场提取带正电荷离子，经静电透镜和偏转装置聚焦并偏转后实现样品可控扫描。样品加工采用加速离子轰击试样使表面原子溅射的方法进行，而生成的二次电子及二次离子则由对应探测器进行采集及成像。金鉴实验室凭借其先进的设备和专业团队，能够为客户提供全面的FIB相关测试服务，确保材料的微观加工和分析达到最佳效果。

常用的双束设备有电子束竖直安装和离子束和电子束呈一定角度安装两种，见附图。人们常把电子束与离子束在焦平面上的交线称为共心高度位置。使用时试样位于共心高度位置既可实现电子束成像，又可进行离子束处理，且可通过试样台倾转将试样表面垂直于电子束或者离子束。





典型离子束显微镜主要由液态金属离子源和离子引出极，预聚焦极，聚焦极使用高压电源，电对中，消像散电子透镜，扫描线圈等组成、二次粒子检测器，活动样品基座，真空系统，抗振动及磁场设备，电路控制板，电脑等硬件设备，如图所示：


金鉴实验室的专业技术团队熟悉这些组件的运作机制，能够为客户提供从样品制备到成像分析的全方位服务，确保测试结果的可靠性和准确性。

液态金属离子源在外加电场的作用下形成细小尖端，导出离子束。通过电透镜聚焦和可变孔径光阑的调节，可以控制离子束的大小，进而实现对样品表面的精确加工。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10^-4A/cm^2，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。

设备部分应用

金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。



常用的TEM制样

1、半导体薄膜材料此类样品多为在平整的衬底上生长的薄膜材料，多数为多层膜（每层为不同材料），极少数为单层材料。多数的厚度范围是几纳米-几百纳米。制备样品是选用的位置较多，无固定局限。

2、半导体器件材料此类样品多为在平整的衬底上生长的有各种形状材料，表面有图形，制样范围有局限。

3、金属材料 金属材料，多为表面平整样品，也有断口等不规则样品，减薄的区域多为大面积。

4、电池材料电池材料多为粉末，每个大颗粒会有许多小颗粒组成，形状多为球形，由于电池材料元素的原子序数较小，pt原子进入在TEM下会较为明显，建议保护层采用C保护。

5、二维材料此类样品为单层或多层结构，如石墨烯等，电子束产生的热效应会对其造成损伤，在制备样品前需要在表面进行蒸镀碳的处理，或者提前在表面镀上保护膜。

6、地质、陶瓷材料此类样品导电性能差、有些会出现空洞，制备样品前需要进行喷金处理，材料较硬，制备时间长。

7、原位芯片用原位芯片代替铜网，将提取出来的样品固定在芯片上，进行减薄。

截面分析

应用FIB溅射刻蚀功能可定点切割试样并观测横截面（cross-section）来表征截面形貌大小，还可配备与元素分析（EDS）等相结合的体系来分析截面成分。利用FIB溅射刻蚀功能，金鉴实验室能够对芯片、LED等进行横截面观测和成分分析，结合元素分析(EDS)技术，提供精准的材料成分信息。



芯片修补与线路编辑

IC设计时，必须对所形成集成电路进行设计变更验证，优化与调试。在检测出问题之后，对这些缺陷的部位需进行维修。现有集成电路制程正在缩减。线路层数亦越来越多。应用FIB中溅射功能可以使某处连线切断，也可以用它的沉积功能使某地原先没有连接的地方连接在一起，使电路连线的方向发生了变化，可以找到、诊断电路是否存在误差，并能直接对芯片中的这些误差进行校正，减少研发成本并加快研发进程，由于它节省原形制备及掩模变更所需的时间及成本。



微纳结构制备

FIB系统不需要掩膜版就能直接刻画出或沉积到GIS系统下所需要的图形，使用FIB系统已能够在微纳米尺度上制备复杂功能性结构，内容涉及纳米量子电子器件、亚波长光学结构、表面等离激元器件和光子晶体结构。采用合理方法，不但能实现二维平面图形结构的绘制，而且即使在复杂的三维结构中也能进行绘制。





三维重构分析

三维重构分析目的主要是依靠软件控制FIB逐层切割和SEM成像交替进行，最后通过软件进行三维重构。FIB三维重构技术与EDS有效结合使得研究人员能够在三维空间对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征；和EBSD结合可对多晶体材料进行空间状态下的结构、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息进行表征。为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。