接聚焦离子束FIB小记（一），继续了解FIB

什么是FIB仪器？

FIB：聚焦离子束（Focused Ion Beam）

FIB 聚焦离子束（Focused Ion Beam）仪器通过一束能量通常在 2 keV 至 30 keV 的高度聚焦离子束扫描样品表面，实现纳米尺度的材料改性。该技术依赖于高能初级离子与目标原子之间的弹性核碰撞，将能量转移给样品原子，从而导致这些原子的位移，甚至从样品中被移除。¹

聚焦离子束系统（FIB 系统）是一种利用离子束对样品进行观察和加工的仪器。也就是说，在观察样品表面的同时，可以对样品的特定区域进行局部铣削和沉积。该系统应用于扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）样品的制备、半导体器件的电路修改，以及金属、软材料和经过固定处理的生物样品的微形态加工。²

聚焦离子束（FIB）柱是一种光学仪器，用于在真空腔室中将加速的离子束聚焦并扫描样品表面。该柱体主要有两个用途：1) 通过收集入射离子与样品表面相互作用产生的二次电子（SE），形成扫描离子图像。2) 局部溅射材料表面，直接制造任意的纳米结构。⁴

聚焦离子束（Focused Ion Beam，简称 FIB）是一种技术，主要应用于半导体行业、材料科学，并且在生物领域的应用也日益增多，通常用于材料的特定位置分析、沉积和去除。FIB设备是一种科学仪器，其外观类似于扫描电子显微镜（SEM）。然而，不同于SEM使用聚焦的电子束来对样品成像，FIB设备使用的是聚焦的离子束。FIB还可以与电子束柱和离子束柱组合在一个系统中，允许使用电子束或离子束对同一特征进行研究和分析。然而，需要注意的是，FIB不应与使用聚焦离子束进行直接写入光刻（例如质子束写入）混淆。这些通常是完全不同的系统，材料的改性通过其他机制实现。³

看完后，还是不知道FIB包括哪些东西。聚焦离子束直写 算不算 FIB？？

IBL-DW

IBL：离子束光刻（Ion Beam Lithography）

广义的术语IBL可用于描述两种不同风格的离子束加工方式：

• 投影式离子束光刻（Projection IBL）：其特点是使用较宽的离子束，通过某种掩模板对样品或晶圆进行辐照，模板上的图像会被缩小投影到目标表面上。
• 直写式离子束光刻（Direct-Write IBL）：采用高度聚焦的离子束形成扫描式离子探针，其位置和时序由图案发生器（Pattern Generator）控制。

FIB 系统结构

所有的FIB设备都包含以下主要组件：

• 离子源（Ion Source）
• 离子光学系统（ion optics）：包括束聚焦、束整形和引导柱（beam focusing, beam shaping, and steer-ing column）
• 样品台（sample stage）
• 扫描控制电子设备（scan control electronics）
• 软件（software）
• 可装载附件的样品腔室（sample chamber with additional options）

借用 JEOL² 一张图：

离子源

依据fit4nano¹内容，先给出一个表：

离子源	离子种类	亮度 (Am⁻²sr⁻¹V⁻¹)	最小能散 (eV)	最大束流 (nA)	横向分辨率(FWHM) (nm)	关键应用
LMIS/LMAIS	Li, Si, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Au, Pb, Bi, ...	~10⁶	2–40	100	2–2.8	表面图案化与截面制备、体积成像、局部掺杂与离子注入、二次离子质谱（SIMS）、掩模光刻、离子推进器
ILIS	EMI⁺, BMI⁺, BF₄⁻, I⁻, ...	~5×10⁶	7–10	0.75	50–30,000	离子推进器、反应离子刻蚀、二次离子质谱（SIMS）
PFIB	Xe, Ar, Kr, N, O, ...	~10³	7–10	2500	20–100	高速溅射、体积成像、气态元素注入
GFIS	He⁺, Ne⁺	~4×10⁹	0.25–1	0.15	0.5 / 4.0	高分辨率成像与纳米结构制造、掩模修复、气态元素注入
LoTIS/MOTIS	Li, Cs, Cr, Rb	~2–4×10⁵	0.2–2	25	4.9	二次离子质谱（SIMS）、离子注入
NAISH	q⁺, Arq⁺	~4×10⁵	0.9–2.3	0.2–20	~2000	用作 SEM 的离子源、质子束加工

东西有点多，借用网络上一张图⁵，先简单关注：

• 【LMIS】液态金属离子源（Liquid Metal Ion Source）：Ga⁺液态金属离子源是最常见、成熟且广泛使用的离子源，适用于高精度应用。
• 【GFIS】气体离子源（Gas Field-Ionization Source）：用于高分辨率应用，如氦离子显微镜（HIM）。
• 【PFIB】等离子体离子源（Plasma Focus Ion Beam Source）：适用于高束流电流需求的应用，例如大规模材料去除。

以后再去了解：

• 【ILIS】离子液体离子源 (Ionic Liquid Ion Source)：利用离子液体提取离子，可生成单离子或簇离子，用于离子推进器、反应离子刻蚀（RIE）、SIMS。
• 【LoTIS】低温离子源 (Low Temperature Ion Source)：，通过冷却技术减少能量分散，产生轻质离子（如 Li⁺、Cs⁺），用于 SIMS 和精确离子注入。
• 【MOTIS】磁光阱离子源 (Magneto-Optical Trap Ion Source)：，通过磁光阱冷却原子后电离，生成超低能量分散离子束，用于量子技术、SIMS 和功能材料加工。
• 【NAISH】高强度纳米孔离子源 (Nano Aperture Ion Source at High Intensity)：通过纳米孔径提取高亮度离子束，用于 SEM 离子源和质子束加工。

LMIS 离子源

继续借用一下 JEOL²的图：

Osray⁴的图：

以及 MyScope.training⁶中的图：

通过用灯丝对离子源中的金属（通常为 Ga）进行短暂加热，储存罐中的 Ga 金属熔化并润湿 W 针的针尖。在针尖处，液态 Ga 在表面张力的作用下形成球形。当在提取电极上施加几千伏的负电压时，在针尖处形成强电场，液态 Ga 在电场的作用下被吸引，形成锥形（泰勒锥，Taylor cone）。电场在锥尖处进一步集中，电离的 Ga 离子从锥尖释放出去。

GFIS 离子源

KNI⁷的这张图：

基本原理：

• 气体离子化：GFIS 使用惰性气体（如氦或氖）作为离子源。气体被引入到尖端非常细小的金属针（通常为钨）的周围。通过施加高电压，在针尖产生极强的电场（局部场强可达 10⁹ V/m），使得气体原子在针尖处被电离，生成离子。
• 泰勒锥形成：在强电场作用下，针尖处的气体原子被吸引并形成一个稳定的离子发射区域，类似于“泰勒锥”（Taylor cone）的形状。离子从最尖锐的部位发射出来。
• 离子束加速与聚焦：电场进一步加速离子束，并通过静电透镜系统将离子束聚焦到一个极小的点，形成直径仅为亚纳米尺度的离子束。

Plasma FIB

先找个示意图，来源⁸：

基本原理：

• 气体电离：惰性气体（如氙气）被引入等离子体腔，在高频射频电磁场（ICP）或微波场（ECR）的作用下电离，形成高密度的等离子体。等离子体中包含电子、离子和中性原子，其中离子是形成离子束的关键。
• 离子提取：在提取电极处施加高电压，正离子（如 Xe⁺）从等离子体中被加速提取出来，形成初步的离子束。
• 离子聚焦：提取的离子束通过静电或磁透镜进一步聚焦，形成高亮度、高电流密度的离子束流。
• 束流调节：通过一系列光阑和偏转器对离子束进行调整，使其束斑直径、能量和电流符合加工要求。

特点：

• 多离子种类：PFIB 可使用多种离子气体（如 Xe, Ar, O, N），适用于不同材料的加工需求。氙（Xe） 是最常用的离子，因其质量较大，具有高溅射率和化学惰性。
• 高材料去除率：相较于传统的液态金属离子源（LMIS），PFIB 的电流更高（可达数百 μA？），适合大面积材料去除和快速加工。
• 离子束直径较大：PFIB 的束斑直径通常较 LMIS 大，适合大尺度加工，但在纳米级别的精细加工中可能有一定限制。
• 束流均匀性：PFIB 的离子束在横截面上可能有“束尾”，即离子束边缘的电流密度较低，这在精细加工如 TEM 样品制备中会增加复杂性。

离子光学镜筒

找个示意图，图片来源¹：

图片来源²：

图片来源⁴：

从示意图中可以看出，用的都是静电透镜和静电偏转器。不用于电子光学设备，主要使用磁透镜。

不使用磁透镜原因？

离子比电子重很多，同样能量下速度比电子慢，相对论效应压根不用考虑了。这点省心。

原因很清楚，简单放上电子光学中对于短磁透镜的一些结论⁹：

1. 磁透镜是聚焦透镜，无论线圈中电流方向如何
2. 磁透镜会聚能力与轴上磁场积分成正比，磁场越强，会聚能力越强
3. 磁透镜的聚焦能力与电压成反比，带电粒子轴向速度越快，受力时间越短，聚焦能力越弱
4. 磁透镜的聚焦能力与带电粒子的荷质比有关。质量越大，聚焦力越弱。
5. 磁透镜存在像转角，它与线圈中电流方向有关。

离子与物质作用

离子与物质的相互作用，机制比电子和物质的相互作用，要复杂。先找几个示意图放上。

借用一张图¹¹:

再借用一张图¹⁰:

参考