聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）雙束系統(tǒng)是一種集成了聚焦離子束（FIB）和掃描電子顯微鏡（SEM）功能的高科技分析儀器。它通過結(jié)合氣體沉積裝置、納米操縱儀、多種探測器和可控樣品臺等附件，實(shí)現(xiàn)了微區(qū)成像、加工、分析和操縱的一體化。這種系統(tǒng)在物理、化學(xué)、生物、新材料、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和能源等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

FIB-SEM雙束系統(tǒng)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理：FIB-SEM雙束系統(tǒng)將FIB和SEM集成在一起，使樣品可以同時(shí)受到電子束和離子束的作用。在測試過程中，通過旋轉(zhuǎn)樣品臺，可以實(shí)現(xiàn)電子束的實(shí)時(shí)觀察和離子束的切割或微加工。在典型的雙束FIB-SEM系統(tǒng)中，電子束垂直于樣品臺，而離子束與樣品臺成一定角度。工作時(shí)，樣品臺旋轉(zhuǎn)至52度位置，使得離子束與樣品臺垂直，便于加工，而電子束則與樣品臺成一定角度，便于觀測截面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

FIB-SEM雙束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.離子源與聚焦：目前，液態(tài)鎵（Ga）離子源因其低熔點(diǎn)、低蒸氣壓和易獲得高密度束流而被廣泛應(yīng)用。Ga離子在電場作用下從針尖發(fā)射，形成尖端半徑約2納米的錐形體，通過靜電透鏡聚焦在樣品上，實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工和顯微分析。

FIB-SEM 雙束系統(tǒng)工作原理示意圖

FIB-SEM的功能

1. 電子束成像：用于定位樣品、獲取微觀結(jié)構(gòu)和監(jiān)測加工過程。

2. 離子束刻蝕：用于截面觀察和圖形加工。

3. 氣體沉積：用于圖形加工和樣品制備。

4. 顯微切割：制備微米大小納米厚度的超薄片試樣，用于TEM和同步輻射STXM分析。

5. 納米尺寸樣品制備：用于APT分析，獲取微量元素和同位素信息。

6. 三維重構(gòu)分析：結(jié)合SEM成像、FIB切割及EDXS化學(xué)分析，進(jìn)行微納尺度的三維重構(gòu)。

FIB-SEM的應(yīng)用

1. 微納結(jié)構(gòu)加工：制備納米量子電子器件、亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)等。

2. 截面分析：表征截面形貌尺寸，分析截面成分。

3. TEM樣品制備：通過FIB加工制取電子透明的觀測區(qū)。

4. 三維原子探針樣品制備：選取感興趣區(qū)域，制備尖銳針尖樣品。

5. 芯片修補(bǔ)與線路修改：改變線路連線方向，校正芯片誤差。

6. 三維重構(gòu)分析：通過FIB逐層切割和SEM成像，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)和成分分析。

FIB-SEM案例

1.微納結(jié)構(gòu)加工：FIB系統(tǒng)能夠直接刻出或沉積所需圖形，制備復(fù)雜的功能性結(jié)構(gòu)，如納米量子電子器件和光子晶體結(jié)構(gòu)。

2.截面分析：FIB濺射刻蝕功能可用于定點(diǎn)切割試樣并觀測橫截面，結(jié)合EDS分析截面成分，廣泛應(yīng)用于芯片和LED的失效分析。

3.TEM樣品制備：非提取法和提取法兩種方法，通過FIB加工制取電子透明的觀測區(qū)，或提取并減薄樣品以獲得優(yōu)質(zhì)TEM照片。金鑒實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)團(tuán)隊(duì)熟練掌握這一技術(shù)原理，能夠?yàn)榭蛻籼峁└哔|(zhì)量的TEM樣品制備，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.三維原子探針樣品制備：選取感興趣區(qū)域，挖V型槽，切開底部，用納米機(jī)械手取出樣品，轉(zhuǎn)移到固定樣品支座上，用Pt焊接并形成尖銳針尖，最后進(jìn)行低電壓拋光。

5.芯片修補(bǔ)與線路修改：利用FIB的濺射和沉積功能，切斷或連接線路，校正芯片誤差，減少研發(fā)成本并加快研發(fā)進(jìn)程。

6.三維重構(gòu)分析：通過FIB逐層切割和SEM成像，結(jié)合EDS和EBSD，對材料的結(jié)構(gòu)形貌、成分、取向、晶粒形貌等進(jìn)行三維空間表征。