聚焦离子束（FIB）是一种将高能离子流聚焦成细束的仪器，通过将离子束扫描到目标材料上来进行加工。离子与试样相互作用，以纳米精度去除试样原子，实现纳米级加工。FIB结合了完全受控的离子束、高精度样品导航系统和先进信号检测器，形成了一个用于成像、溅射和微加工的多功能分析平台。

在20世纪70年代，微电子的大规模生产需要一种能够准确定位硅晶圆半导体器件顶面故障的专用分析工具。这促使了FIB商业化，并奠定了类似仪器的设计与制造基础。无论应用于何种领域，FIB都能以较高的深度和空间精度去除材料。大多数FIB仪器还配有电子束，类似于扫描电镜（SEM），因此被称为FIB-SEM双束仪器。

 

图1 FIB-SEM系统的成像、溅射和微加工能力

 

FIB-SEM的应用

FIB在半导体行业的应用逐渐扩展到其他学术领域，如材料科学、工程、医学等。其中，冷冻FIB（Cryo-FIB）技术有望在生物材料表征方面得到应用。FIB技术可以制作从纳米到微米尺度的各种结构，如纳米孔阵列、等离子器件、微流体通道等。此外，FIB还可以在表面上绘制图案和载网，并在指定位置放置靶标。FIB技术具有广泛的应用潜力，能够实现复杂的二维和三维结构，开拓了各种创新应用的可能性。

图2 使用 FIB 制作的微柱

横截面分析与三维重构

横截面分析是一种可以暴露和分析样品表面下特征的方法。与传统方法相比，横截面分析的优势在于其能够以纳米级精度选择感兴趣的区域，包括纳米级特征。这种高精度是其他技术无法实现的。

图3 使用 FIB 制作的多层薄膜横截面

图片展示了利用离子束刻蚀技术制作的多层薄膜试样的横截面。在横截面中可以看到一个直径约2 µm的颗粒，这是在涂层过程中过度生长的结果。

另外，还可对样品进行连续切片，并利用图像/堆栈数据构建样品的三维模型。

图4 利用FIB-SEM进行三维重构示意图

原位制备TEM 样品

FIB-SEM最常用的技术之一是TEM样品制备。FIB-SEM是实现这一目的的理想工具，可以选择试样上的特定区域，如界面或颗粒，然后制备厚度小于100 nm 的该特征的TEM截面。

图5 FIB-SEM制备TEM样品

 

原子探针 (APT) 样品制备

FIB可在精确选定的位置制备APT样品。整个过程与TEM样品制备相似。在 TEM样品制备中，需要制作电子透明箔，而APT则需要制作锋利的针。针的长度通常约为15微米，针尖直径小于100纳米。

图6 利用FIB制备APT样品

图片来源 Roussel, M., Talbot, E., Gourbilleau, F. et al. Atomic characterization of Si nanoclusters embedded in SiO2 by atom probe tomography. Nanoscale Res Lett 6, 164 (2011). https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-164

 

 

EDS、EBSD等分析

FIB使研究人员能够对样品进行综合分析。FIB-SEM通常配备多种探测器，如背散射电子探测器 (BSE)、镜头内探测器、电子背散射衍射 (EBSD) 和能量色散谱 (EDS) 探测器。这些仪器可以在样品表面、横截面或通过连续切片在三维空间中进行多种样品分析。在大多数情况下，离子束用于切割或切片，电子束用于分析，使用的工具和探测器与传统SEM相同。最近，FIB平台引入了二次离子质谱 (SIMS)，以完善其分析能力。

图7 FIB加工表面，热压镁合金的电子背散射衍射 (EBSD) 图样

 

FIB离子源

离子源在离子束（FIB）仪器中的应用非常多样化。常见的离子源是液态金属离子源（LMIS），尤其是使用Ga+离子的显微镜应用。离子束的能量范围通常在500 eV至30 keV之间，束流范围为1 pA至65 nA，图像分辨率可达到大约5纳米（4.0 nm或2.5nm，30 kV，Helios 5 CX DualBeam）。除了LMIS，还有其他离子源可用，如气场离子源（GFIS）（如He和Ne）、电感耦合等离子体离子源（使用惰性气体如Xe）、低温离子源（LoTIS）、磁光阱离子源（MoTIs）和液态金属合金离子源（LMAIS）。

备注：电子束的分辨率为0.6nm ,15KV;1nm，1KV，Helios 5 CX DualBeam。

离子源技术的主要发展方向是提高铣削速度和减少试样损伤。因此，等离子体离子束（FIB）技术越来越受欢迎，其中氙离子源使用较多，其铣削速度比Ga+离子系统快得多。近期的一个最新发展是在离子研磨系统中加入飞秒激光，使得研磨速度提高了100倍。

为了获得更高的成像分辨率并减少试样损伤，多束FIB系统中使用了附加离子源。例如，氦离子显微镜（HIM）可以为高分辨率离子束成像和纳米制造提供灵活的平台（目前已经停产）。这些不同类型的离子源扩展了FIB在纳米级别的分析范围。

 

离子与样品相互作用

在有效利用FIB之前，了解离子束的物理特性以及离子束与试样之间的相互作用至关重要。离子束的参数如剂量率和能量，以及与试样之间的相互作用是非常复杂的。

FIB-SEM 最重要的仪器参数之一是离子束电流。用于描述离子束中离子数量的基本方程如下:在时间（t）内可与样品相互作用的离子数（N）可通过以下公式计算：

离子剂量

在此指出，"通量'fluence"与"剂量dose"是有区别的。通量是指在样品相互作用之前通过某一区域的离子数量。剂量则是进入样品表面的离子数量。

图8 "通量'fluence"与"剂量dose"的区别

离子剂量的定义是通过特定表面积进入样品的离子数量。剂量可通过以下方式计算：

离子剂量率通常称为通量。剂量率描述了在单位时间内通过特定区域进入样品的离子数量：

 相互作用过程概述

当束离子与样品原子发生相互作用时，会产生几种不同的相互作用类型。各种可能的相互作用如下图所示。

图9 离子束与样品相互作用示意图

1 二次电子和二次离子，2溅射，3空位、位错和间隙，4聚合，5离子注入

离子与固体相互作用会产生各种二次粒子，如二次电子和二次离子 (1)，这些粒子可使用不同的探测器进行检测，并用于记录图像。光子很少产生，因此可以忽略不计。此外，样品表面的原子可以通过一种叫做溅射 (2)的过程去除。该过程用于在基底上加工一些结构、特征和横截面。在整个相互作用过程中，样品会被离子束改变，因为离子-固体相互作用会在样品内部产生空位、位错和间隙 (3) 以及聚合 (4)。相互作用一直持续到离子失去所有能量并在特定深度（通常称为入射范围）注入样品（5）为止。

如果进入的离子将足够的能量转移到样品原子上（反冲能大于位移能），使原子脱离其在晶格中的位置，就会发生位移。被撞击的原子可以撞掉另一个样品原子，这就是所谓的置换碰撞，也可以移动到间隙位置或跳回原来的位置或产生一个空位（如果碰撞后原来的晶格位置仍然是空的）。溅射是一种特殊情况：样品原子被从样品表面移除。一个离子可以使多个样品原子发生位错。这些反冲原子还可以使更多的样品原子发生位错，从而导致级联反应。

Ga+ 离子在离子与样品的相互作用中失去所有能量后，会驻留在样品中。离子驻留的平均深度称为投射范围（Rproj）。这意味着束离子注入了样品中。就镓而言，这会导致样品的物理性质发生变化。

需要考虑镓以百万分之一的比例注入样品的影响。镓或氙的注入可能会改变晶体结构、晶界化学或试样的某些其他特性。在决定使用FIB时应考虑到这一点，在对FIB制备的试样进行数据分析时也应牢记这一点。

图10 镓离子的注入范围与离子透射范围

离子束会导致二次电子(SE) 发射。在这种离子束与样品的相互作用中，样品原子的电子被喷射出来，然后可以被标准的SE探测器探测到。这些SE产生的信号通常用于离子束成像。与电子束相比，离子束的二次电子产额更高：每个离子可发射1-10个二次电子，而每个电子束电子只能发射0.1-1个二次电子。

备注：一个入射电子激发二次电子的数量并不是一个固定值，它受到多种因素的影响。这取决于入射电子的能量、入射角度、材料的性质（例如原子序数、晶体结构、表面状态等）以及周围的环境条件（如电场、磁场等）。在扫描电镜中，电压降低，SE1信号的产额越高。

 

图11 离子束诱导的二次电子、二次离子、背散射离子、声子及注入离子信号示意图

二次离子来自样品。当离子束击中试样中的原子时，这种高能碰撞会将试样原子转化为离子，通常伴随着离子从试样表面被击出。因此，二次离子就是被电离并从表面释放出来的样品原子。因此，二次离子带有试样表面的化学信息，而一次离子则带有离子束源（通常为镓）的化学信息。

背散射离子 (BSI) 是指从样品表面"反弹"回来的主离子束的离子。由于背散射离子来自离子束，因此它们都具有与FIB源相同的化学成分，通常为Ga+。BSI的产量很低，通常只有0.1-10 %的离子是反向散射的。

声子是样品晶体结构中的原子振动或波，由离子对样品的高能轰击诱发。它们代表了一种热量。

 能量损失：弹性和非弹性损失

离子束的能量损失通过两种类型的相互作用发生：与样品中原子核的弹性相互作用，或与样品中原子电子云的非弹性相互作用。每次离子与电子云或原子核碰撞时，都会有一定量的能量从离子转移到样品中。总能量损失就是弹性和非弹性相互作用的总和。

图12 非弹性和弹性相互作用

离子与样品中的原子碰撞的结果取决于碰撞过程中传递的能量以及样品的晶体学和化学性质。核相互作用可导致溅射、二次离子发射（SI）、位错、非晶化、空位和声子。电子相互作用可导致二次电子发射（SE）、声子、质子（在金属中）和聚合。

  碰撞级联

单个离子通常会与多个样品原子碰撞并产生级联。这种级联可以产生空位，改变晶体结构中原子的位置，通常与入射离子的注入有关。碰撞级联通常通过蒙特卡洛模拟进行研究，显微镜学家可以使用许多免费软件包来研究离子束参数如何影响试样损伤深度。

图13 离子束的蒙特卡罗模拟。可为显微镜专家提供有关背向散射离子能量、背向散射电子和投射范围统计分析的信息。

 

溅射

当样品原子从样品表面射出时，就会发生溅射。这是位移的一种特殊情况，只有靠近样品表面的原子才有可能发生溅射。样品表面发生的碰撞越多，发生溅射的可能性就越大。而位于样品深处的原子则不太可能被溅射，因为离子束在穿透样品时会损失能量。

溅射需要满足两个条件。1.表面原子需要获得足够的能量。2.表面原子需要转移到试样外的位置。

 影响溅射的参数

溅射主要受表面结合能、入射角和入射离子能量（加速电压）的影响（也受到多相材料体系或通道效应的影响）。离子束与样品之间的入射角决定了碰撞级联的轨迹，并决定了有多少原子靠近样品表面，成为潜在的溅射对象。

图14 溅射示意图

溅射产额描述了每个入射离子溅射出多少样品原子，概念如下：

在离子束垂直于试样表面的情况下，Ga-FIB的溅射产量通常在1到10之间。

下图显示了加速电压对铁中Ga+离子束溅射产额的影响。在较高的离子束能量下，更多的能量可以从离子转移到样品原子上，有时称为反冲。因此，反冲原子更有可能获得足够的能量来克服表面结合能，如果它们离样品表面足够近，则更有可能被溅射。

图15加速电压对溅射的影响

使用FIB时，入射角(Θ)是指离子束与试样表面之间的角度。当离子束垂直于试样表面时，入射角为0°（如下图虚线所示）。

入射角较大时，碰撞级联主要位于表面正下方。这增加了溅射的概率，因为更多的反冲原子（被入射离子击中的样品原子）靠近样品表面。如下图所示，入射角在 75°-85° 之间时，溅射产额最大。

图16 离子束入射角度对溅射的影响

不同材料的表面结合能不同，因此不同材料的溅射产额也不同。入射角度越高，溅射产额的差异越小，因此表面结合能在高入射角度时的影响较小。

下面给出了30kV Ga+离子束的典型溅射产额，可以看出这里所选的例子之间存在显著差异。例如，金：17.6个原子/离子。铁：5.7个原子/离子。硅：2.2个原子/离子。钛：2.2个原子/离子。

在多相材料体系上使用FIB溅射时，必须考虑到溅射差异。例如，左图显示了在材料中两个不同相界面上的横截面溅射效果。由于溅射速率不同，左侧材料的研磨深度明显低于右侧材料。使用 FIB 制备薄片（如用于 TEM 样品制备的薄片）时，界面处可能会出现断裂，如右图所示。

图17 图片显示了不同材料溅射产量的差异，因此也显示了刻蚀速率的差异

通道效应：多晶样品（如铜）具有许多不同取向的晶粒，因此会出现通道效应。离子会更深地穿透低指数方向（这些方向的原子密度较低），因此这些方向不会产生太多信号或溅射，从而导致不均匀的铣削，如 SEM 图像所示。如左侧离子束图像所示，在多个晶粒上形成的图案通常显示出不同的深度和结构质量。

图18 通道效应对溅射效率的影响

 

FIB-SEM的结构

FIB是一种通过离子束与样品的相互作用来进行纳米到微米级样品切割和制图的技术。离子束通过在样品上进行扫描，产生与样品相互作用的信号。当离子能量足够高时，它们可以从样品表面去除原子。

FIB-SEM设备的结构大多相似，包括真空室和电子（离子）枪。离子枪和其他附件根据真空室的几何形状以不同的角度和位置放置。附件包括气体注入系统、机械手和多种类型的探测器，用于全面分析样品和样品横截面。这些探测器包括二次电子探测器、透透镜内探测器、BSE、EDS和EBSD探测器。FIB-SEM常用于纳米结构制造和材料科学研究等领域。

图19 FIB-SEM结构示意图

真空系统和样品室

电子（离子）枪和样品表面之间需要高真空，以尽量减少带电粒子（电子和离子）与空气分子的碰撞。真空对于防止污染和放电也非常重要。镜筒通常使用离子泵，试样室通常使用涡轮分子泵或离子泵。

 

离子镜筒与离子光学

离子镜筒的主要组件包括：产生离子束的离子源；控制离子束的静电透镜；设定离子束大小的离子束选择光阑，以及阻挡部分不需要离子束的光阑。离子泵（ ion getter pump IGP）可使镜筒保持高真空（约10^-5帕），以避免污染，并防止镜筒高压元件内发生放电。FIB镜筒中的消隐器可在不需要离子束时，将离子束推离光轴。有许多不同的离子种类和离子源可供选择，包括最常用的镓液态金属离子源（LMIS）、氙等离子源以及使用不同离子种类的液态金属合金离子源（LMAIS）。

图20 离子束镜筒示意图

液态金属镓离子源是一种点源，由一个带有液态金属储存器（通常为镓）的钨针、一个抑制器和一个提取器组成。工作时，LMIS通过线圈加热器加热，使其达到 29.8°C的熔点。液态镓流向半径约为2.5微米的钨针尖端。提取器将镓拉成一个小液滴，称为"泰勒锥"，其半径约为2-5纳米。泰勒锥的末端会形成一个微小的尖角，这个尖角足够小，可以达到足够高的电场，从而实现场发射（1.5 x 10¹⁰ V/m）。镓离子通过场电离从泰勒锥的尖顶提抬出来，然后沿着镜筒向下加速。

备注：很多文献说过Ga加热的事情。但是实际应用中，这种加热反而是少数情况，一般Ga维持过冷的液态，用的时候用电压引出了就行。泰勒锥，它其实是一个平衡状态，而非发射状态，一般是在形成泰勒锥的电压时，稍微增加电压，LMIS就开始发射。

镓是最常用的液态金属储层，因为镓的熔点较低，只有29.8°C，可以在室温下工作。这最大程度地减少了镓与钨针之间的相互扩散。镓的蒸汽压力低，可以节省液态金属的供应，从而延长源的使用寿命。此外，镓的重量足够大，可有效溅射多种材料。

图21 液态金属镓离子源（离子枪）结构示意图

离子发射是通过涉及场电离和场蒸发的复杂机制实现的。LMIS 靠近提取器（环形提取电极），提取器相对于针尖处于高负电位。钨针和提取器之间的电位差会产生电场，将镓从针尖拉出，而熔融镓的相反表面张力则会对抗这种静电力。一旦这两种力达到平衡，液态镓就会形成一个称为"泰勒锥"的圆锥形，针尖半径为 2-5 纳米。

产生的电场降低（并扭曲）了泰勒锥中镓原子的势垒。尖顶处镓原子的电子现在可以隧穿到钨尖上（场电离）。然后，尖顶处电离的镓原子会被场蒸发。一旦离子开始发射，抑制器（主动变化）和提取器（一旦实现发射，保持静止）的调节将维持恒定的发射电流。

图22 离子发射示意图

从 LMIS 提抬出Ga+离子束后，离子束会通过电位加速并沿着镜筒向下移动。离子束沿离子束路径经过一系列透镜和光阑后到达试样。聚光透镜形成离子束，然后通过八极扫描器（通常称为扫描线圈）扫描样品表面。物镜将离子束聚焦到样品上。像散由八极区域的线圈校正。四极子在对准过程中控制离子束的中柱转向。

离子镜筒使用静电透镜，而不是电子束镜筒中的电磁透镜。离子的速度只有电子速度的0.0028。由于磁透镜的磁力取决于粒子的速度，因此磁透镜体积太大，无法安装在离子束镜筒中。因此，FIB 采用了与粒子速度无关的静电透镜。消隐器可使离子束优中离离子束柱的中心，以避免在 FIB 运行期间不必要地暴露样品。

离子束电流可通过离子束的光阑大小控制。在一个光阑带上有不同大小的圆孔，称为光阑（见示意图）。光阑越大，离子束电流越大。

图23 光阑示意图

 检测器

FIB-SEM的电子束成像与 SEM 相同。因此，FIB系统通常配备与SEM相同的探测器，例如用于化学元素分析的 EDS 探测器和用于晶体取向分析的EBSD探测器。此外，离子束产生的二次电子和二次离子等信号可通过二次电子检测器、二次离子检测器和飞行时间二次离子质谱仪进行检测。

样品台

样品台通常为五轴（X-Y-Z-旋转-倾斜）样品台，可实现样品在样品室中的精确定位和重复定位。样品交换可通过样品仓门或通过附加的小型样品交换室进行，以便快速更换样品。

气体注入系统

气体注入系统（GIS）将反应性中性气体引入样品表面，用于增强蚀刻、优先蚀刻或材料沉积。GIS通常插入样品表面200µm 范围内。插入的GIS与样品表面之间的间隙相当于人的头发丝粗细。从这个位置开始，GIS通过一个长喷嘴将受控气流从坩埚（内含GIS前驱体）输送到样品表面。由于 GIS的前驱体是固体，因此在操作前需要加热 GIS，使前驱体转变为气相。

1增强和优先蚀刻：气体辅助蚀刻可用于提高材料的溅射率，或优先研磨一种材料。这些应用通常用于半导体行业。有26种不同的化学物质可用于广泛的应用领域，例如硫酸镁。硫酸镁前驱体可提高碳和抗蚀剂材料的研磨率，降低某些金属的研磨率，从而使用户在半导体设备中优先研磨抗蚀剂而不是金属。

2材料沉积：GIS还可以在样品上沉积多种材料，包括富铂/富钨/碳/绝缘固体。这可用于纳米制造和样品保护。在沉积过程中，气态前驱体（例如用于富铂沉积的 (Ch3)3Pt(CpCH3)）被释放到样品上，然后被离子束（或电子束）裂解。非挥发性产物（此处为富铂固体）吸附在样品表面。挥发性产物则被维持腔室真空的泵抽走。

为了实现高效沉积，所使用的离子电流必须与沉积区域的大小成比例。如果电流过大，FIB研磨过程中的气体沉积作用就会被抵消，从而导致样品破坏而不是沉积。

 图24 气体注入系统工作原理示意图

机械手Manipulators

机械手是一个锋利的针头，可将样品切片抬出并重新定位到 TEM 载网（TEM 薄片、APT样品）或样品上的其他选择区域。FIB-SEM有不同的机械手系统，不同设备的操作规程也各不相同。一般来说，电子束和离子束都用于确定机械手相对于样品的位置，并以亚微米精度协助将机械手驱动到所选的样品区域。

图25 机械手操控样品的流程

不同的FIB-SEM系统有不同的几何形状。不同制造商生产的FIB和SEM镜筒之间的角度也不同。根据样品仓的几何形状，FIB-SEM的角度优中移范围在50-60°之间。如下图所示，GIS和机械手等不同附件可从腔体上的不同端口进入腔体。了解设备的几何形状对FIB-SEM的安全操作至关重要，应与仪器技术人员进行核对。

图26 不同FIB-SEM制造商的系统会有所不同

 

样品台倾斜的影响

在整个操作过程中，了解FIB-SEM的倾斜状态非常重要。平台倾斜度决定了不同电子（离子）束所照射的表面区域。

0度：当平台垂直于镜筒倾斜时，电子束照射样品表面，离子束照射样品侧面。

图27 样品相对电子束镜筒垂直

倾斜：当平台垂直于离子镜筒倾斜时，电子束观察样品侧面（横截面），离子束观察样品表面

图28 样品相对离子束镜筒垂直

倾斜平台可以从不同方向对样品成像，从而获得样品的三维视角。倾斜样品成像时需要考虑两个影响：

1样品顶部和底部的高度差。

2 Y方向的前缩短

通常可在FIB-SEM的用户界面中采用校正算法来补偿这些影响。

下图显示了平台倾斜时样品高度的差异。样品的上半部分更靠近极靴，位于聚焦点上方（因此不清晰），而样品的下半部分则远离极靴，位于聚焦点下方（因此不清晰）。

图29 样品倾斜造成的Y方向缩短示意图

倾斜样品的y方向会缩短（见示意图）。样品的投影显示在图像上。由于投影比实际样品长度短，因此显示的图像会出现前缩。这种效果只出现在 y 方向（因为 x 方向没有倾斜）。

以下这些图像显示了焦距和工作距离以及补偿的效果。

图30 软件系统会对倾斜成像造成的误差进行补偿

优中心高度Eucentric Height

优中心高度是我们用来描述电子束和离子束相交位置的术语。在优中心点时，样品位于平台的倾斜轴上，可以倾斜到不同的角度，而感兴趣的特征不会移出视场。这个平台位置是大多数 FIB-SEM 系统推荐的安全工作距离（约5mm左右）。

备注：赛默飞双束helios是4mm，scios是7mm，Tescan 双束SOLARIS是5mm，AMBER X是6mm，蔡司双束crossbeam是5.1mm。

图31 优中心高度示意图

SEM图像显示了在优中心高度和非优中心高度倾斜时的效果。在优中心高度倾斜时，当平台垂直于离子束和垂直于电子束倾斜时，相关特征处于相同的位置（左图/中图）。当平台不在优中心高度并倾斜时，特征会在 y 方向发生位移（左/右图）。

图32当平台不在优中心高度并倾斜时，特征会在 y 方向发生位移。

重合点Coincidence Point

重合点是指电子束和离子束的交汇点撞击样品的同一个点。当两束粒子以相同的放大倍率成像时，可以看到相同的区域。当电子束和离子束不重合时，粒子束会击中不同的点。

在 FIB-SEM 操作过程中，设置精确的粒子束重合非常重要。它允许操作员使用电子束进行样品成像，而不是依赖离子束快照或导致样品质量下降的图像。但需要注意电子束的视角：在倾斜台上，离子束直视样品表面（垂直）。电子束以一定角度注视样品表面。

 

离子束成像

正如在"离子与样品相互作用"看到的，离子束与样品原子的相互作用会导致二次电子发射（样品原子电子的发射）和二次离子发射。此外还会产生许多其他发射，但这里只考虑二次电子和离子，因为它们可以被检测到并用于成像应用。在样品表面附近产生的二次电子可以用二次电子探测器检测到。

 

充电效应

离子束图像中的充电效应显示为（不断扩大的）黑色区域。原因是因为由于镓离子的注入和电子的发射，在非导电样品的表面积累了正电荷（来自正镓离子），从而也产生了正净电荷。产生离子束图像的信号是二次电子，二次电子带负电荷，被现在带正电荷的样品反向吸引，不会到达检测器。由于检测不到信号，图像看起来很暗。

充电效应可以通过将SEM的电子束用作"中和枪"来补偿。在使用离子束成像的同时，电子束在样品上扫描，电子束可以补偿正电荷的积累。这种样品中和作用允许离子束产生的二次电子逃逸并到达检测器。电荷中和还可用于图案化，并允许对半导体和非导电样品进行铣削。

图32 二次电子被带正电荷的样品反向吸引，不会到达检测器，图像没信号

通道衬度Channeling Contrast

与传统电子成像相比，FIB图像显示出更佳的通道衬度。通道衬度是由于特定晶体方向上不同的离子-样品相互作用而产生的。离子在晶体的低折射率方向（如 [110]、[100]）能更深地穿透材料。在这些方向上，由于原子间距较大（间隙较宽），碰撞级联会深入材料内部，从而导致二次电子产额较低。这意味着这些方向看起来更暗。

图33 铜镍合金 TEM 样品上的离子通道衬度图像

成像损伤Destructive Imaging

离子束成像具有破坏性！用离子束进行一次扫描就会严重破坏样品并产生假象，如用 Ga+ 离子（30kV、50pA、30µs 驻留时间、1024x884 分辨率、1 帧）对 Au 标样进行成像（如图34）。样品损坏的程度取决于样品。可以通过限制离子剂量（减少对样品的扫描次数、降低离子束电流）来减少样品损伤。在可能的情况下，使用电子束代替离子束，并利用束流消隐器，可以避免样品损坏。

图34 离子束对金标准样品的损伤

 

离子束加工

图案化（Patterning）是通过离子束铣削或气体辅助沉积在样品内/上创建微米级到纳米级结构的过程。任何复杂的结构都可以从基本构件（线、点、矩形）中创建出来。此外，还可以创建铣削流文件或位图。

对于许多 FIB-SEM系统而言，复杂结构可由系统编写脚本并自动执行，而无需操作员现场操作。图中显示了从富铂沉积到纳米孔阵列、横截面和机器人等多重结构的示例。在图案化过程中，离子束在样品表面进行（矢量）扫描。离子束在一个扫描点驻留指定的时间（驻留时间）后，再移动到下一个点（相当于电子束扫描）。铣削的速度和精度由离子束电流决定。

图35 离子束的加工能力：图案化

离子束参数的影响

要获得最佳效果，必须设置多个离子束图案化参数：1加速电压、2电流、3驻留时间/次数、4间距/重叠、5扫描方向、6离子束合轴、平台倾斜度、以及多图案的串行/并行图案化。

1.加速电压决定离子的能量。加速电压越高（如30kV），离子的能量就越高（30keV）。能量越高，离子穿透样品越深，相互作用体积越大。离子与固体的相互作用会导致非晶化。因此，相互作用体积越大，非晶层就越厚。

TEM测量结果表明，非晶层的产生取决于加速电压。30KV加速电压可提供最佳分辨率，通常用于纳米结构/图案化目的。较低的加速电压（5kV或2kV）用于抛光样品（TEM样品制备），以减少非晶层的厚度。

图36 加速电压对样品非晶层厚度的影响

2.如何选择离子束电流（通过光阑）取决于所需的结构尺寸。较小的离子束电流具有较小的最终离子束直径，可以形成更精细的特征，如精确的纳米级图案。然而，较小的电流不足以形成较大的结构，并导致过长的结构化时间。较大的电流可用于构造较大的区域。

最佳的束流是能在合理的时间范围内以足够高的精度铣削特征，并且很少出现假象的束流。

图37 不同的尺寸特征和加个范围需要设置不同的束流

3.驻留时间（或扫描速度）表示离子束在一个点上驻留的时间。驻留时间与扫描次数有关：驻留时间越短，切割到特定深度所需的扫描次数就越多。通过次数决定离子束扫描整个区域的频率。一次通过只能扫描一个区域一次。多次扫描可以缩短离子束在每个点上的驻留时间，但区域会被扫描多次，而不是只扫描一次。

当样品出现热损伤或需要减少再沉积时，可选择较短的驻留时间（1µs）。当需要快速研磨或不存在再沉积问题时，可使用较长的驻留时间。长驻留时间和单程选项意味着每个点都要扫描，直到达到所需的铣削深度。然后再对下一个点进行铣削，达到所需的深度，以此类推。这意味着离子束沿着边缘缓慢前进，由此产生的入射角（非零）提高了溅射产量（更快地形成图案）。

重新沉积到已铣削区域的情况会发生，在这种设置下更为常见。多程和短驻留时间选项意味着离子束只将每个点铣削到特定深度，然后再铣削下一个点。样品逐层研磨。

 

图38 驻留时间与扫描次数的关系（上图），单程和多程与驻留时间的关系（下图）

4.离子束通常在扫描点之间重叠（Overlap）50%，以确保铣削边缘光滑（见图39）。当减少重叠时（使用GIS进行沉积或减少离子束对样品的热量），切割边缘就不那么光滑了。它看起来像波纹（用白色箭头标出）。

图39 离子束重叠对加工边缘粗糙度的影响

5.扫描方向用于控制再沉积的方向。溅射样品原子的再沉积发生在扫描方向的背面（扫描开始的位置），图中的紫色线条表示了这一点。

备注：就像挖土坑一样，挖个坑，然后那个沙土肯定还会往下流。

图40 离子束对中和聚焦对加工图像的影响

6.进行图案化时，离子束的对准、聚焦是绝对必要的。否则，结构就会变形。以一个矩形为例，用对准的离子束和未对准的离子束进行铣削，可以看出离子束对准对图案质量的影响。聚焦离子束后，进行几秒钟的扫描，生成的光斑图案可以直接显示离子束的形状。图案应该是圆形且较小（右图）。如果图案扭曲成椭圆形，则离子束仍然是散光的。如果离子斑图案较大，则离子束聚焦不良。

 

离子束的加工假象

在 FIB 操作过程中，会出现一些影响结构质量、结果和成功率的假象。最常见的假象包括帘幕（curtaining）、再沉积、离子注入、相变、非晶化、界面混合、加热、材料界面或晶界导致的不均匀研磨。

帘幕（curtaining）

溅射产量取决于入射角度。样品中的形貌特征和空隙会导致离子束的入射角不同，从而产生不同的溅射率。如图所示。由于不同角度的铣削速度不同，表面粗糙度的增加会导致一种称为 "帘幕"的假象，在横截面表面产生垂直线。

图41 离子束加工中出现的 "帘幕"假象

除了在切割横截面时使用较低的离子束电流以及从不同角度对横截面进行抛光外，还可以通过在样品表面使用 GIS 沉积光滑层来减少/消除横截面上的帘幕。商用摇动平台（rocking stages），可在横截面切割过程中倾斜样品，从而最有效地去除帘幕。另外，将样品嵌入树脂中可减少因多孔样品而产生的帘幕，因为树脂可填充导致帘幕的孔隙。

 

 再沉积Redeposition

在 FIB 铣削过程中会发生溅射材料的再沉积。溅射的样品原子会重新沉积到其他样品区域，这可能会造成不理想的形貌，在离子束电流和电压较高时尤其普遍。

再沉积会随着溅射速率的增加而增强，在狭窄区域或高纵横比结构中进行铣削时，再沉积现象会变得更加严重。这种再沉积过程限制了纳米结构的纵横比设计。

在软质快速铣削材料中，再沉积现象更为突出。铣削速度较快的材料侧壁上出现了斜坡，这是由于再沉积作用增强造成的。这会降低结构质量。

在铣削高纵横比结构（如纳米孔或 TEM样品制备中的 J 形切口）时，很容易看到再沉积。在铣削高纵横比结构时，随着结构深度的增加，样品原子在结构深处被移除的概率也会降低，最终限制了可能达到的结构深度。

在制备 TEM薄片时，J 型切口代表了一个封闭区域，由于重新沉积，薄片可能会粘回到样品中。为避免这一问题，J型切口通常以平行模式切割（以避免在前一切口中的串行第二切口再沉积）。通过铣削方向可以预测最有可能发生再沉积的区域。再沉积材料最常出现在铣削图案的后面（如果从左到右铣削 -> 再沉积在左边，如果从下到上铣削 -> 再沉积在下面）。

 

离子注入

离子束中的离子在离子与样品原子的相互作用中失去所有能量后，会卡在样品中（离子注入），这是一种不希望出现的假象。在半导体中，镓离子是一种掺杂剂，会强烈改变样品的物理性质（如导电性）。在铬/非/镍/铝基底上的多层 TEM 薄片 TiSiSiO2 的 EDS谱显示了离子束中注入的镓。由于同时进行溅射，镓掺杂剂的浓度在 FIB-SEM 中受到限制。预计镓的浓度为 1at% 至 50at%。

为了避免镓污染问题，现在可以使用不同的离子种类，如氙。不同的离子种类仍被注入样品中，但不会像镓对半导体那样掺杂样品并改变其物理性质。

图42 Ga离子注入FIB制备的TEM样品

 

相变 Phase Transformation

离子束辐照可诱导样品发生相变。下图展示了离子束诱发铜样品的相变（表现为暗斑）。值得注意的是，尤其是在抛光进行 EBSD 测量时，应检查是否发生了这些相变，不锈钢在FIB铣削过程中可能会发生奥氏体向铁素体的转变。

非晶化Amorphization

离子束与样品的相互作用会导致样品原子位移，这意味着样品原子会偏离其原来的晶格位置。在足够高的剂量（单位面积离子数）下，大量样品原子会在样品的前几纳米处发生位移，样品的结晶性会丧失，从而形成无定形层。

TEM 图像显示了在硅中使用30kV Ga+离子制备 TEM片时形成的无定形层（左图）、5kV 抛光后的无定形层（中）以及 5kV 和 2kV 抛光后的无定形层（右图）。这些图像显示，使用低能量离子时，无定形层的厚度可以大大减小。由于低能离子的射程较短，因此非晶层的厚度也会减少。

图43离子束的加速电压对非晶层的影响

界面的混合Interface Mixing

当一个样品层的原子被传送到下一个样品层时，层状结构中就会发生界面混合。离子会传递足够的能量，使第1层的原子反冲，然后移动到第2层，导致层污染。原子还可能向表面反冲。

TEM 图像显示了两个铂层（电子束沉积铂和离子束沉积铂）的混合情况。损伤层的厚度约为 50 纳米。

热损伤Heat damage

入射离子束的能量最终会沉积在声子中并转化为热量，非弹性电子能量损失也会对此产生影响。离子-固体相互作用产生的温差取决于样品的导热性、尺寸和几何形状以及离子束的特性。对于硅来说，在标准的FIB研磨过程中，温度上升不到 2°C，因此有经验的 FIB 操作员通常会忽略加热效应。

生物样品或聚合物更容易受热，此类样品可达到非常高的温度。热损坏问题推动了低温FIB等新技术的发展，这些技术可帮助将这些热损伤假象降至最低。

图44 Ga 离子加工时，受热损伤的胶原蛋白

通道效应Channeling

多晶样品（如铜）具有许多不同取向的晶粒，因此会出现通道衬度。离子会更深地穿透低指数方向（这些方向的原子密度较低），因此不会产生太多信号或溅射，这会导致不均匀研磨。

如下图离子束图像所示，在多个晶粒上形成的图案往往显示出不同的深度和结构质量。在制备多晶材料的TEM薄片时，可能会产生不同的薄片厚度和区域损失。

图45 通道效应对加工的影响

沉积工艺Deposition

在沉积过程中，GIS会在样品表面附近释放出气态前驱体。这里以富铂前驱体的沉积为例进行说明。前驱体分子可以通过电子束或离子束裂解，非挥发性产物（本例中为富碳铂）吸附在样品表面，形成沉积结构，挥发性产物（主要是氢）被泵抽走。

要成功沉积前驱体材料，沉积区域需要同时有大致相同数量的离子和前驱体分子。为此，需要根据沉积结构的大小来选择离子束电流。

电流太小：如果选择的电流太小，则无法裂解所有气体前驱体，从而导致铂层沉积速度减慢、沉积时间延长，并在腔室中留下前驱体分子（污染）。

电流过大：如果选择的电流过大，所有气体前驱体只被少数可用离子使用，其余离子会溅射到样品表面（此时是铣削而不是沉积）。这相当于图中的区域 3。

使用离子束沉积时，部分离子会撞击样品表面，在保护沉积层形成之前可能会损坏样品。为避免这一问题并保护样品表面，可使用电子束沉积。使用电子束使前驱体破裂，前驱体的非挥发性部分沉积在样品表面。这种沉积模式的效率较低，但可以保护样品表面。通常使用低能量电子（2kV）和高束流（nA范围）。

图46 离子束电流对沉积工艺的影响

 

横截面制备

制备横截面能够观察到块状样品的内部，并揭示隐藏在样品表面以下的样品特征。FIB-SEM具有独特的能力，可在精确选定的点上对样品进行横截面分析，这是其他技术无法实现的。

例如，通过横截面可以观察到样品表面下的孔隙结构。在进行横截面分析时，可以用SEM识别出感兴趣的区域。然后在样品表面沉积一层保护层（通常为钨、铂或碳），形成光滑的表面（以减少帘幕），并在横截面切割过程中保护样品表面不受离子束的影响。然后用离子束切割横截面，露出次表面特征。最后用较小的离子束电流抛光横截面。

图47 FIB制备横截面示意图和效果图

切割的横截面要足够大，以避免阴影和重新沉积问题。一般而言，横截面 y 方向的宽度应是深度（z 方向）的两倍。即 y = 2z

TEM薄片样品制备

TEM 薄片制备是为 TEM 制备（<100nm）的薄片，是 FIB-SEM 最困难和最复杂的应用之一，因为它需要同时操作多个附件。如果用SEM精确选择感兴趣的区域，再用 FIB-SEM 制备TEM 薄片。

该过程可分为6个步骤：1沉积保护层（碳或铂）。2通过横截面加工准备薄片。3 J形切割。4抬出（Lift-out）。5继续减薄片（＜100nm）。6 抛光薄片。

沉积保护层

通常首先通过电子束沉积（如果有的话）沉积一层薄保护层（约50-500nm）。在离子束成像和离子束辅助沉积过程中，样品表面会受到破坏，而这层薄薄的保护层可以在离子束成像和离子束辅助沉积过程中保护所关注的表面区域，这两个过程都是为了制备薄片。然后通过离子束在薄保护层上沉积较厚的铂保护层（约 1-1.5µm）（沉积效率更高）。

备注：因为电子束沉积比较慢，500nm的沉积耗时较常，而且电子束沉积物含碳量更高。电子束沉积往往是保护表面（如果表面是TEM感兴趣的区域），离子束沉积的破坏深度也就是几十nm，所以大于50nm或者100nm的电子束沉积物已经够厚了。

 通过横截面加工制备薄片

在沉积保护层的上方和下方切割两个横截面，以便从块状样品中切割出所需区域。这可以通过不同的方法来实现，但常见的方法是以略微减小的倾斜角切割保护层上方的横截面，同时以增大的倾斜角切割保护层下方的横截面。略微增大/减小的平台倾斜度用于在 TEM 薄片上形成更多的壁。在整个过程中，由于电子（离子）束尾部（和再沉积）的作用，会产生轻微倾斜的壁。

备注：这个最简单的话就两坑，上下各挖一个坑，还有就是两步，上下先挖一个大坑，图快，然后样品倾斜再降低电流上下分别再挖俩更靠近的坑。

 J形或U形切割

J形切割用于原位抬出，以开始从试样中切割薄片，必须在试样将连接机械手的一侧进行切割。为此，必须平行切割几个矩形。J 形切割的质量往往决定着TEM 薄片制备的成败：如果 J 形切割不完全成功，在抬出过程中丢失薄片的风险就很高。

 抬出Lift-out

GIS 和机械手结合使用，可将制备好的 TEM 薄片抬出。在抬出过程中，将机械手插入已制备好的薄片附近，并使用 GIS 铂沉积将机械手粘在薄片上。一旦薄片连接到机械手针头上，再切割薄片的另一边，就可以抬出来。然后将 TEM载网移到适当位置，通过 GIS 沉积将薄片插入并连接到 TEM 载网上（右图），同时再用离子束将薄片从机械手上切割下来。

根据 FIB-SEM 设置的不同，抬出的操作步骤也大相径庭，在某些系统中，可能需要在开始之前打磨机械手。此外，有不同的 TEM 载网材料和设计可供选择，包括铜载网和钼载网，可使用单柱或三柱连接薄片。 TEM 薄片可以固定在柱子的侧面（测EDS首选）或V形（位置更稳定，应力/应变样品或远距离运输首选）最后，TEM 薄片上的载网材料重新沉积可能是个问题，特别是使用球差校正 TEM 进行分析时。

 

 继续减薄样品

将TEM薄片连接到TEM载网后，再将样品减薄至<100nm厚度。首先使用较大的电流，将薄片的正面和背面减薄至大约600nm的厚度。然后使用较小的电流将 TEM 薄片的背面和正面减薄至＜100nm。在此阶段，大部分保护层已被去除，保护层的锯齿状边缘清晰可见。在整个过程中，样品会略微倾斜几度，以减少减薄/抛光过程中对保护层的破坏。

实际倾斜角度取决于样品材料。如果薄片顶部变薄，但底部仍然很厚，则平台倾斜角度不够大，应加大倾斜角度。如果薄片底部被铣薄，但顶部仍然很厚，则平台倾斜角度过大，应减小倾斜角度。

 

 抛光薄片

在制备TEM薄片的过程中，每一侧都会产生非晶层。对于硅来说，每侧的非晶层约为 23nm。为了提高质量，首先用5kV离子对TEM薄片进行抛光，将无定形层的厚度减小到大约10nm。2kV 抛光（如果有的话）可将无定形层的厚度减少到5nm以下，从而进一步提高 TEM薄片的质量。

 三维重构3D Tomography

三维重建通常称为三维断层扫描，是指从一系列切片中重建三维容积。有时也称为 "连续切片"。在这种技术中，使用离子束对样品进行切片，因此是一种破坏性技术。在切片之前，通常会使用GIS沉积一层保护层来覆盖感兴趣的区域。保护层可减少切片过程中的帘幕效应。为减少再沉积时出现问题，还需去除相关区域周围多余的材料。

切片厚度可根据样品特征尺寸从10nm 到几微米不等，许多 FIB-SEM 都可以自动完成这一过程。

切片开始后，每个切片都要使用电子束成像，可以使用传统的二次电子成像，也可用 EDS 绘制元素分布图，或使用 EBSD 绘制晶体取向分布图。每个切片都会被记录下来，成为图像堆栈的一部分。图像堆栈可用于使用高性能 PC 重建样品的三维模型。

对于Ga+离子仪器，传统的三维堆栈尺寸小于50µm x 50µm x 50µm；而对于能更快去除材料的新型等离子FIB（PFIB）仪器，500µm x 500µm x 500µm 的体积则越来越常见。

 

总结

FIB-SEM技术是一种在科学研究和工业领域发挥重要作用的先进材料分析和微纳加工手段。该技术利用聚焦的离子束进行样品溅射刻蚀，并通过扫描电子束对样品表面进行成像，能够实现纳米级别的加工和成像，以及构建样品的三维结构。

FIB-SEM技术在半导体行业用于线路修复和故障分析，在材料科学中可以研究材料的微观结构和性能关系，在生命科学中可以研究细胞结构。然而，该技术仍面临样品损伤和复杂数据处理等挑战。

未来的发展趋势包括更高的分辨率和精度，并与其他分析技术如飞行时间离子质谱的融合。总之，尽管FIB-SEM技术具有巨大的应用潜力，但还需要克服技术挑战，以实现更广泛和深入的应用。