圖1 典型FIB-SEM雙束設備原理圖
1978年美國加州休斯研究所建立了世界上第一台利用液態金屬鎵(Ga)離子作為發射源的聚焦離子束( FIB)系統。1988 年第一台聚焦離子束與掃描電鏡(FIB-SEM)雙束系統被成功開發出來，商業的雙束系統在20世紀90年代開始出現。隨後FIB-SEM雙束系統(簡稱雙束系統)不斷與各種探測器、微納操縱儀及測試裝置集成，並在今天發展成為一個集微區成像、加工、分析、操縱於一體的功能極其強大的綜合型分析與表徵設備。其應用範圍也從最初的半導體行業拓展至材料科學、生命科學和地質學等眾多領域。
雙束聚焦離子束系統的基本構成及工作原理
雙束聚焦離子束系統可以簡單理解為單束聚焦離子束系統與普通SEM的耦合。單束聚焦離子束系統由離子源、離子光學柱、束描畫系統、信號採集系統和样品台5部分構成。離子束鏡筒的頂端是離子源，在離子源上加較強的電場來抽取出帶正電荷的離子，這些離子通過靜電透鏡及偏轉裝置的聚焦和偏轉來實現對樣品的可控掃描。樣品加工是通過將加速的離子轟擊樣品使其表面原子發生濺射來實現，同時產生的二次電子和二次離子被相應的探測器收集並用於成像。為了避免離子束受周圍氣體分子的影響，與掃描電鏡類似，樣品腔和離子束鏡筒需要在高真空條件下（＜7x10 -6 Pa）工作。
常見的雙束設備是電子束垂直安裝，離子束與電子束成一定夾角安裝，如圖1所示。通常稱電子束和離子束焦平面的交點為共心高度位置。在使用過程中樣品處於共心高度的位置即可同時實現電子束成像和離子束加工，並可以通過樣品台的傾轉使樣品表面與電子束或離子束垂直。
離子源
離子源是雙束系統中的關鍵部件，是產生離子束的裝置。離子源的關鍵技術指標包括: 離子束流強度範圍，離子能量範圍，最小束斑尺寸，發射離子的穩定性，使用壽命等。這些技術指標往往決定了整個離子束設備的性能和加工工藝水平。因此，聚焦離子束加工系統的發展與離子源的開發密切相關。
目前可用的離子源包括：液態金屬離子源；氣體場離子化源，例如，用He +可獲得10 nm以下的刻蝕線；電感耦合等離子體源，通過使用惰性氣體或其它活性氣體可以實現大範圍的加工速率；液態金屬合金離子源，可利用周期表中相當大範圍的元素，能夠實現納米尺度上的加工和摻雜等新功能。
離子束對所加工材料的影響
高能離子束入射到固體材料表面會產生一系列的相互作用，如圖2所示。
圖2 離子束與固體材料相互作用
其中二次電子、二次離子等的發射可用於成像；X-射線的發射可用於分析材料化學成分；對離子束加工而言，最主要的是材料表面原子被入射離子轟擊濺射脫離基體的過程。此外，離子束輻照還會污染樣品表面，主要包括聚焦離子束誘導沉積的碳污染及沉積材料的污染；而高能離子的入射也會對所加工材料的表層造成輻照損傷，常見的離子損傷包括：離子注入、晶格損傷、晶態轉化及熱效應。
雙束系統的三種基本工作模式
圖3 聚焦離子束的三種工作模式a.成像；b.加工；c.沉積
成像
聚焦離子束在與材料表層的原子發生交互作用時，能夠激發出二次電子和二次離子，這些電子或離子被相應的探測器收集後即可對材料的表面進行成像。與電子束成像相比，在使用離子束對多晶材料進行掃描時，離子束沿著不同晶向的穿透能力可表現出較大差異。利用這一原理，離子束成像可用於分析多晶材料的晶粒取向、晶界分佈和晶粒尺寸分佈等。
加工
聚焦離子束的加工功能是通過高能的離子束與樣品表面原子撞擊使表層原子濺射來實現，這是FIB 最重要應用之處。目前的聚焦離子束系統不僅可以加工簡單的規則圖形還可以通過位圖，流文件等方式加工複雜的圖形。
沉積
當在離子束照射區通入特定的氣體時，在聚焦離子束的誘導下，這些氣體可在固體材料表面沉積。通過調整離子束束斑尺寸，束流大小，掃描路徑和時間等參數，即可在材料表面沉積出期望的圖案或功能元器件。
雙束系統應用前景廣闊
目前雙束系統的裝機量在國內正在快速增長，其在科研工作中也發揮著越來越重要的作用。與此同時雙束設備本身也在根據用戶的需求不斷的發展。
北京埃德萬斯離子束技術研究所股份有限公司自主研發的離子束刻蝕機、離子束濺射鍍膜機是非矽微納機電製造的核心設備。其通用離子束刻蝕系統，除了可進行傳統微納結構刻蝕外，還可實現離子束清洗、材料表面拋光和材料減薄等功能，還可實現化學輔助離子束刻蝕（CAIBE）與反應離子束刻蝕（RIBE）。公司自主研發的離子束濺射薄膜沉積系統具有最寬範圍材料適用性、最佳的沉積環境、優良的清洗功能、高密度金屬厚膜、高材料利用率以及輔助濺射功能。
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