FIB与物质相互作用的基本原理
1.带负电荷的粒子：电子（e–）
2.带正电荷粒子：离子（如 Ga+、He+）
3.超短脉冲激光（USPL）的光子
在材料科学与电池研究中，FIB主要用于六大场景：
1.成像（电子、离子）：获取表面形貌与内部结构；
2.检测（电子、离子、光子）：成分分析与信号特征；
3.沉积（电子，离子/光子辅助）：原位生长功能薄膜；
4.注入（离子束）：实现离子掺杂与改性；
5.铣削/烧蚀（离子、光子）：高精度材料去除；
6.抛光（离子、光子）：表面精细加工。
根据FIB的不同参数，其主导作用模式各异。总体可分为两种主要操作模式：
• 低电流（电子、离子）/低通量（光子）下的信号检测/成像
• 高电流（离子）/高通量（离子）下的材料去除
当电子、离子或光子与物质相互作用时，会激发多种信号（如图1所示），这些信号可被检测、量化、后处理及可视化。
图1（a）电子、（b）离子和（c）超短脉冲光子与物质相互作用激发各类信号的示意图
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信号类型 |
功能特性 |
对应分析技术 |
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二次电子（SE） |
提供样品表面形貌信息 |
表面形貌成像 |
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背散射电子（BSE） |
提供原子序数、物相差异及晶格通道衬度和弹性散射电子的定性信息 |
电子背散射衍射（EBSD）、透射EBSD |
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X射线 |
对激发的连续波和特征X射线进行分析和定量 |
能量色散X射线光谱（EDS）、波长色散X射线光谱（WDS） |
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阴极荧光 |
带来成分、结构和光学特性信息 |
阴极荧光光谱（CL） |
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透射电子的非弹性散射 |
提供有关材料成分和键态的信息 |
电子能量损失光谱（EELS） |
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俄歇电子（AES） |
表面分析技术用于表面元素成分与化学状态表征 |
俄歇电子能谱分析 |
相互作用区域的范围与信号采集位置取决于电子束初始能量、样品元素组成、晶体取向及厚度。对于块体样品，相互作用区域大小与电子能量成正比，信号通过背散射方式被检测。电子可深入材料内部，例如在30 keV能量下垂直入射硅样品时，电子穿透深度可达9.3 μm。
二次电子：又称次级电子。二次电子的成因是由于高能入射电子与样品原子核外电子相互作用，使核外电子电离所造成，尤其是外层电子与原子核结合力较弱，被大量电离形成自由电子。如果这种过程发生在样品表层，自由电子只要克服材料的逸出功，就能离开样品，成为二次电子。二次电子一般都是在表层5~10 nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，能完全反映样品的表面形貌特征。
背散射电子：是指入射电子与样品中原子发生碰撞后，被原子核吸引并改变运动方向，经过大角度散射再从样品表面逸出的电子。它们的能量通常高于50 eV，能够深入样品内部并经过多次碰撞，因此能有效地反映材料内部的化学元素成分。
2.入射离子束与物质相互作用时，常用离子源包括：
• 镓离子 (Ga⁺) | 氦离子 (He⁺) | 氖离子 (Ne⁺)
• 氩离子 (Ar⁺) | 氙离子 (Xe⁺) | 氧离子 (O⁺)
轻质量离子（如He⁺）主要用于成像，而重质量离子（Ga⁺, Ar⁺, Xe⁺, O⁺）可实现精确材料去除。值得注意的是，激光冷却锂原子光致电离等特殊离子源已被用于开发扫描离子显微镜，实现纳米压印光刻工艺的无损成像。
入射离子束辐照物质时会产生多种现象(如图1b)。离子产生的二次电子信号与入射电子束类似，部分入射离子束经碰撞级联后形成背散射或嵌入表层。离子穿透深度取决于离子种类、能量、入射角度、物质类型及晶体取向。轻质量离子穿透更深，例如：在30 keV能量下垂直入射硅样品时,He+离子可达400 nm 深度，而重质量离子 Xe+仅能穿透50 nm。入射离子还会溅射出物质原子和离子，这些溅射离子可通过二次离子质谱(SIMS)进行检测定量。
3.聚焦光子束与物质相互作用时，主要介绍超短脉冲激光（USPL）,脉宽104~107 W/cm2。飞秒激光（10⁻15 s）烧蚀的高脉冲速率使载流子激发或材料去除时间远快于皮秒量级（10⁻12 s）的热化或声子传递速率。因此，这种烧蚀工艺能以相对较低的损伤去除大量材料，并在很大程度上可避免高温、熔化和其他热损伤。飞秒激光（fs-laser）光束使材料汽化和电离，产生等离子体羽流。该等离子体在快速冷却的过程中会发射特征光信号，可通过激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对这些发射光进行收集和分析，其中包含与样品中元素相对应的特征谱线，实现元素成分解析。
核心部件
1. 电子源
早期阶段，电子由位于电子枪尖端的电阻加热钨丝产生。这类枪可分为两种:热发射型(采用钨丝、LaB₆、CeB₆等）和场致发射枪(FEG)。图2展示了不同类型电子发射体的电子枪示意图。发射体的选择取决于目标应用和实验技术，关键参数包括电子源直径、亮度及能量分散度。
图2 配备不同类型电子发射体的电子枪示意图
下表对比了各类电子源性能（为清晰起见仅列LaB₆为代表）。虽然CeB₆在亮度、稳定性及寿命方面更优，但LaB₆凭借优越性价比仍更为普及。
2. 液态金属与等离子体离子源对比
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液态金属离子源
FIB-SEM系统中最常见的商用离子源是采用液态Ga+金属的液态金属离子源（LMIS）。镓在液态金属状态下既能兼容高真空环境，又能产生适合物理溅射的大质量离子。虽然LMIS中曾使用过多种元素和合金，但全球99%的FIB系统首选镓作为离子源，因其宽广的液态温度范围(从29.8 ℃至2175 ℃)，可实现室温操作。此外，镓主要电离为+1价态，这最大限度地减少了聚焦问题，因为聚焦元件的影响与通过粒子的电荷量相关。该特性使镓离子束成为成像和SIMS化学分析的理想选择，且可避免多极变化导致的图像重影现象。这项技术可追溯至1970年代。它为离子束技术开辟了新可能，并在材料科学领域(包括电池、表面分析和半导体制造等)广泛应用。
迄今为止，该离子源可在低于1 kV至30 kV的加速电压下工作，离子束精度小于10 nm（半峰宽电流为5~7 nm），在制备阴极/阳极的高质量小尺寸截面和3D层析成像方面表现卓越，通常可提供约20~50 μm的切割宽度。然而，Ga+ FIB镜筒存在两个缺陷：
（b）镓在离子–物质相互作用及注入过程中会形成低温共晶合金，尤其是沿晶界存在的共晶合金。因此部分铝、铜、铁和镍合金在FIB辐照下易发生液态金属脆化，限制了其在某些材料分析中的应用。
Ga+ FIB的缺陷(特别是离子注入和物质共晶化)导致部分样品形貌与化学分析面临挑战。该问题在TEM薄片制备和原子探针断层扫描（APT）针尖制备中尤为突出。另外，必须避免引入伪影或改变微观结构/溶质分布。
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等离子体离子源
2012年，一种名为等离子氙离子(plasma Xe ions)的新型FIB源和柱技术实现商业化应用，该技术解决了材料去除体积的局限性，同时避免了Ga+的污染问题。
Xe+属于非金属元素，源自惰性氙气。等离子氙离子源作为大角度高强度广域源，可在高达3 μA的强电流下形成清晰束流轮廓，并且具有较长的使用寿命和源稳定性，适用于大体积材料铣削。此外，由于Xe+来自惰性气体，任何注入的氙原子都不会形成金属键化合物。
目前，商用等离子体聚焦离子束(PFIB)采用ECR或ICP离子源电离惰性气体(氙、氩)或反应气体(氧、氮)产生离子束。Xe+作为重元素，相较于He+、Ne+、Ga+等轻元素离子，其注入深度更浅且溅射产率更高(图3)。这类等离子体源通过产生大束流、平行化的惰性Xe+与Ar+离子束，克服液态金属离子源(LMIS)FIB设备的缺陷。
PFIB光学系统在宽加速电压范围(30 kV至500 V)内可调控束斑尺寸至数十纳米级，配合pA级束流，适用于离子束抛光与成像。虽然PFIB成像分辨率可能逊于FIB或扫描氦离子显微镜(SHIM)，但其束流轮廓与束斑尺寸可精确控制，即使在高束流(如：Xe+：2500 nA，Ar+：3800 nA)和高电流密度下亦然。因此，Xe+ PFIB能显著提升材料最大去除速率，例如：对Si的去除率达到675 μm3/s，较FIB快38倍，同时保持与Ga+FIB相当的表面质量。该系统还支持在合理时间内去除大体积材料(对于大多数材料，∼200×200×200 μm3)。例如：采用最大去除速率切削100 μm3尺寸的硅立方体仅需约25min。
图3 30 keV能量下He+、Ne+、Ar+、Ga+、Xe+离子与电子以0度入射角轰击单晶硅的注入深度模拟。清晰表明电子与轻质量离子能深层穿透样品但溅射率（SY）极低，如：He+
3. 超短脉冲激光源（USPL）
飞秒激光束通过激光系统的锁定模式产生，该系统配备固态晶体（钛宝石或掺铬氟铝酸锂晶体)或掺稀土离子(如铒、镱)的光纤。锁定模式可使激光器发射超短脉冲。这类激光器具有发射1 ps级超短光脉冲的卓越能力，从而能够与物质相互作用时减轻热效应。因此，USPL能在不引发热损伤的情况下刻蚀或去除材料，保留剩余材料的原始微观结构。其已扩展至各领域，推动了基础研究、医疗、通信、工业制造及近年电池研究(尤其大体积分析)的革命性进步。
结合激光光路与电动反射镜，USPL可产生直径小至15 μm的聚焦激光束。这种精度使光束能像FIB仪器那样栅格化横截面侧表面，实现微观尺度的精密材料加工。需注意所述激光光路并非用于成像，而是专为材料超快去除/烧蚀设计。TriBeam系统中采用SEM实现激光在样品表面的精确定位。相比等离子体FIB（500×-1000×），USPL可去除更大体积材料（例如硅材料约40,000 μm3/s），且因激光以掠射角作用于样品表面，配合材料特异的参数优化，因此烧蚀表面仍能保持原始状态。与离子光学类似，激光光学可配置为粗略大体积去除或精细温和去除。激光加工截面通常具有20 nm以下的损伤层。
4. 关联使用现状
最初，采用聚焦束仪器包括独立式模拟TEM、SEM、利用Ga+LMIS的扫描离子显微镜（SIM）、低功率脉冲激光器（，）以及短脉冲激光光学系统。目前，这些显微镜采用数字电路运行。TEM和SEM的改进包括增强型电子源、光学系统、像差校正器和检测系统。随着2008年SHIM和2011年Xe+PFIB系统的商业化推出，SIM平台得到了扩展。实验性FIB离子源包括液态金属合金离子源(LMAIS)、气场离子源(GFIS)、低温离子源(LOTIS)和磁光阱离子源(MOTIS)。
自2000年代中期以来，用于快速亚毫米尺度微加工和基于激光的原位表征技术的脉冲激光器和光学系统已转向使用超短脉冲激光（USPL）（脉冲持续时间小于1皮秒，通常为50~300飞秒）。这类激光可实现热效应极低、近乎无损伤的微米级光斑烧蚀。图4展示了广泛应用的聚焦束系统。
图4 独立聚焦束系统示意图。包含TEM、SEM、（等离子）聚焦离子束（P-FIB）图示
首台双束系统于1990年代初实现商业化，将SEM与聚焦离子束(FIB)镜筒(采用Ga+液态金属离子源LMIS)集成于同一设备，两束流在共焦点上交汇。该配置融合了SEM的高分辨率电子成像与定性检测模式(二次电子与背散射电子探测)，以及FIB的离子注入与铣削/抛光能力，从而可实现定位精度达微米级的横截面切割、连续切片断层成像(SST)等操作。随着技术发展，FIB-SEM的能谱分析(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)等分析功能得到增强(图5a)。
图5（a）双束系统、（b）三束系统及（c）外接激光双束系统示意图。注：为使图示清晰，配置（b）和（c）可选的EBSD、TOF-SIMS、EDS探测器未进行标注
基于FIB-SEM平台（图7b）、飞秒激光器和激光光学工作台的三束系统（TriBeam）经过独立测试，于2010年代初实现三束同机集成，并于2019年完全商业化。该系统将SEM、FIB与飞秒激光束汇聚于主真空腔内的共焦点上。另一种三束FIB-SEM设计采用分体式真空腔(图7c)。飞秒激光的引入将FIB-SEM应用范围扩展至毫米级，特别适用于大块材料的3D表征。
参考文献：
FIB-SEM: Emerging Multimodal/Multiscale Characterization Techniques for Advanced Battery Development
Chemical Reviews 2025 125 (11), 5228-5281
DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00831
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本文源自微信公众号：分析测试技术与仪器
作者：fxcsjsyyq
原文标题：《FIB-SEM：FIB的基本原理与核心部件》
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原文发布时间： 2025年6月20日
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