纳米级精准操控！FIB 技术在材料科学与半导体领域的核心应用解析

聚集离子束（Focus Ion Beam，FIB）技术利用纳米级的加工精度、成像、刻蚀、沉积和样品制备等多功能集成优势，广泛应用于材料科学工程、半导体等领域。其核心工作原理是：将离子源产生的离子束（常为Ga离子束）经加速、聚焦后，轰击样品表面，通过离子与样品原理相互作用后，实现微观成像、刻蚀或沉积。本文将介绍一些FIB的应用领域：

图1 (a)FIB-SEM双束系统结构图；(b)离子束刻蚀示意图；(c)离子束沉积示意图（DOI：10.1002/aelm.202101401）

透射电子显微镜（TEM）样品制备：在材料分析领域中，FIB技术常被用于TEM样品的制备，传统的TEM样品制备方法（如离子减薄，电解双喷等）往往需要大量的时间和经验，且对操作人员技能要求较高。FIB技术可以精准地从样品中制备出纳米级的超薄样品，提高了样品的制备效率和质量。

图2 利用FIB-SEM技术制备TEM样品薄片的流程图

（DOI：10.1002/aelm.202101401）

三维重构：FIB技术常与扫描电子显微镜（SEM）联用，是如今微观结构分析的重要技术之一，其本质是通过“切割-扫描-叠加”循环，将样品内部的二维图像序列，重构为三维立体模型。同理，也可搭配背散射电子衍射（EBSD）技术，研究材料三维尺度上的晶粒结构、晶粒尺寸与界面特性。通过去除材料表面的方式逐层扫描不同深度的表面，完成三维EBSD（3D-EBSD）信息的获取。

图3 利用FIB-SEM技术碳改性的多孔硅基材料的三维重构图

（DOI：10.1039/c3an01827j）

图4 铝合金3D-EBSD结果：(a)反极图面分布图的三维重构结果；(b)菊池花样质量图的三维重构结果；(c)第二相Mg2Si相的三维渲染图（XY，XZ和YZ截面）；(d)合金中再结晶组织的三维渲染图（XY，XZ和YZ截面）

（DOI：10. 11868/j. issn. 1001-4381. 2023. 000321）

微纳器件的加工：FIB技术凭借纳米级精确加工与多功能集成化的优势，能从器件结构制备、局部修改到缺陷修复的全流程微纳加工，是高端微纳器件研发与量产的关键技术。FIB通过离子束溅射效应，可通过预设轨迹进行刻蚀纳米级结构，支持孔槽、孔洞、阵列、三维立体结构等加工，也可通过通入前驱体金属（如Pt、W），在指定区域沉积功能层，制备纳米级导线、涂层等。

图5 利用FIB技术对器件进行微纳米级加工

（DOI：10.1002/adom.202000879）

截面分析：FIB技术可对芯片或光电镀膜等样品进行截面切割与分辨率成像，以实现纳米级的精度确认内部失效区域。结合能谱分析（EDS），可对失效区域的元素组成和分布进行分析，从而完成样品失效机理分析、尺寸测量及成分分布观测等深度表征。

图6 使用FIB技术抛光制备的NAND存储器样品的横截面概览图

电路编辑与缺陷修复：FIB对半导体样品进行局部尺寸调整或材料沉积，优化器件电学性能。

图7 FIB技术进行微纳米级电路编辑示意图