一文读懂FIB：从离子束原理到TEM制样，解锁纳米加工的万能钥匙

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）加工是一种基于高能离子束与物质相互作用的精密微纳加工技术，通过将离子束聚焦为纳米级束斑，利用离子束轰击样品表面，实现材料的刻蚀、沉积、改性等加工功能。其核心优势在于纳米级的高精度加工，已成为半导体、材料科学、纳米制造等领域的关键技术。

FIB加工的核心过程是离子束与样品的相互作用，其过程如下：

离子束的产生与聚焦：采用液态金属离子源（如镓，Ga+）或气体离子源（如氦He+，氙Xe+），经加速电压（1-30KeV）加速后，经电磁透镜聚焦为直径为纳米级束流。

离子轰击：高能离子束轰击样品表面，使原子脱离样品表面（溅射效应），实现样品刻蚀；若引入气态前驱体，离子束可触发气体分解，形成材料沉积（如碳、硅），实现“加法”或“减法”加工。

图1 FIB加工原理示意图

FIB通过Ga⁺离子束刻蚀，暴露内部电路，结合SEM观察微观结构缺陷（如金属腐蚀、氧化层击穿等）；或结合能谱仪EDS检测污染物成分、判断是否因工艺污染导致失效。FIB刻蚀可以切除冗余或错误的金属线，或沉积金属（如铂）实现电路节点的重新连接（如短路修复、逻辑功能调整）。

图2 SEM-FIB在芯片失效分析中的应用

FIB是制备TEM超薄样品（50-200 nm）的方法之一。可精准定位微观区域，实现“靶向制样”；制样过程可视化，能有效控制样品质量，被广泛应用于半导体、金属、陶瓷等材料的微观结构分析。其流程如下：

首先利用SEM进行样品定位；

通过沉积保护层（如铂、碳）保护样品，防止开裂；

利用Ga⁺离子束切割出包含目标区域的薄片，并利用机械臂转移至TEM载网上固定；

继续用低能离子束对薄片进行双面减薄，逐步将样品减薄至纳米级，最终获得表面光滑，厚度均匀的TEM样品。

图3 FIB制TEM超薄样品示意图

FIB-SEM联用通过逐层切割-成像循环，实现材料内部三维结构的高精度重构。FIB对材料进行连续切片，获得一系列不同位置的二维图像。用过算法重建材料内部的三维结构模型（如孔隙分布、晶粒形态、相界面等）。

图4 FIB三维重构示意图

FIB可以直接在刻蚀或沉积出所需要的图形，利用FIB系统可以制备出复杂的微纳尺度的功能性结构。通过合理的设计不仅可以实现二维平面图形结构，甚至可以实现复杂三维结构制备。

图5 FIB加工的各种纳米等离激元结构图形

（DOI：10.1021/acsnano.6b06290）

FIB利用聚焦离子束对样品进行精准刻蚀，并逐步将其加工成针尖状。通过控制离子束的扫描路径和束流能量、使针尖顶端聚焦于待分析区域，同时保证针尖的轴对称性和表面光滑度，最后用低束流离子束去除加工过程中的污染物，确保样品表面洁净。

图6 FIB制三维原子探针示意图