聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB）技術是一種強大的微納加工和分析工具，它利用高度聚焦的離子束對材料表面進行納米尺度的刻蝕、沉積、成像和成分分析。

FIB 系統的基礎架構

聚焦離子束技術的核心在于將特定元素（如鎵元素）的離子化為帶正電的離子（Ga+），并通過電場加速使其獲得高能量。隨后，借助靜電透鏡系統將這些高速離子束精確聚焦到目標位置。這一過程與掃描電子顯微鏡（SEM）的工作原理有一定的相似性，但關鍵區別在于所使用的粒子類型：FIB 使用的是鎵離子（Ga+），而 SEM 使用的是電子。

這種高能量的離子束能夠對樣品進行微觀層面的加工和分析，例如材料的濺射、沉積以及結構觀察等。

FIB技術的工作原理

離子的產生與加速：

離子源是離子產生的關鍵場所，以液態鎵離子源為例，金屬被加熱成液態后，在尖端形成離子發射點。離子提取后進入加速電壓區域，經過幾千伏特的加速，獲得足夠的動能，為后續撞擊樣品、產生各種效應奠定基礎。

離子束的聚焦與掃描：

加速后的離子束需要經過聚焦系統的 “雕琢”，一系列電磁透鏡發揮作用，將離子束調整得更細更集中，實現納米級別的精度，離子束直徑可在幾納米到幾百納米之間靈活變化。同時，偏轉系統通過施加電壓或電流，改變離子束方向，使其能夠按照預設路徑在樣品表面進行精確掃描。

與樣品的相互作用

蝕刻機制：

當高能離子束轟擊樣品時，物理濺射現象隨之發生。入射離子將動能傳遞給樣品原子，使其脫離樣品表面，實現材料的去除，從而能夠完成切割、鉆孔、雕刻等精細操作，打造出復雜的微結構。

沉積機制：

在特定條件下，FIB 技術還具備沉積新材料的能力。引入特定氣體前驅體到樣品室，在離子束作用下，氣體分解并在樣品表面沉積，形成一層薄膜，可用于電路修補、導電連接創建等。

成像機制：

離子束撞擊樣品會產生二次電子、背散射離子等信號，檢測這些信號能夠生成樣品表面形貌信息，類似于掃描電子顯微鏡的成像原理。現代雙束系統結合了 SEM 功能，進一步提升了成像質量。

FIB技術的主要應用

聚焦離子束系統除了具有電子成像功能外，由于離子具有較大的質量，經過加速聚焦后還可對材料和器件進行蝕刻、沉積、離子注入等加工。金鑒實驗室在進行試驗時，嚴格遵循相關標準操作，確保每一個測試環節都精準無誤地符合標準要求。

1.離子束成像

聚焦離子束轟擊樣品表面，激發二次電子、中性原子、二次離子和光子等，收集這些信號，經處理顯示樣品的表面形貌。目前聚焦離子束系統成像分辨率已達到5nm，比掃描電鏡稍低，但成像具有更真實反映材料表層詳細形貌的優點。

2.離子束蝕刻

高能聚焦離子束轟擊樣品時，其動能會傳遞給樣品中的原子分子，產生濺射效應，從而達到不斷蝕刻，即切割樣品的效果。其切割定位精度能達到5nm級別，具有超高的切割精度。使用高能了離子束將不活潑的鹵化物氣體分子變為活性原子、離子和自由基，這些活性基團與樣品材料發生化學反應后的產物是揮發性，當脫離樣品表面時立刻被真空系統抽走。這些腐蝕氣體本身不與樣品材料發生作用，由由離子束將其離解后，才具有活性，這樣便可以對樣品表面實施選擇性蝕刻。在集成電路修改方面有著重要應用。

3.離子束沉積薄膜

利用離子束的能量激發化學反應來沉積金屬材料和非金屬材料。通過氣體注入系統將一些金屬有機物氣體噴涂在樣品上需要沉積的區域，當離子束聚焦在該區域時，離子束能量使有機物發生分解，分解后的金屬固體成分被沉積下來，而揮發性有機物成分被真空系統抽走。

4.離子注入

聚焦離子束的一個重要應用時可以無掩模注入離子。掩模注入是半導體領域的一項基本操作技術，利用聚焦離子束技術的精確定位和控制能力，就可以不用掩模板，直接在半導體材料和器件上特定的點或者區域進行離子注入，精確控制注入的深度和廣度。

5.透射電鏡樣品制備

在材料分析領域，FIB 技術還被廣泛應用于透射電子顯微鏡（TEM）樣品的制備。傳統方法是通過手工研磨和離子濺射減薄來制樣，不但費時而且還無法精確定位。

聚焦離子束在制作透射電鏡樣品時，不但能精確定位，還能做到不污染和損傷樣品。