摘要

结合聚焦离子束（FIB）技术和扫描电子显微镜（SEM）的FIB-SEM双束系统，通过整合气体注入系统、纳米操控器、多种探测器以及可控样品台等附件，已发展成为一个能够进行微观区域成像、加工、分析和操控的综合分析工具。该系统的应用已经从半导体行业扩展到材料科学、生命科学和地质学等多个领域。

本文带你了解FIB-SEM双束系统中的核心概念和基础原理，了解其在材料科学中的典型应用案例，如透射电子显微镜（TEM）样品的制备、微纳尺度力学测试样品的制备以及材料的三维成像和分析。

历史背景

1978年，美国加州休斯研究所开发了世界上第一台以液态金属镓（Ga）离子为发射源的聚焦离子束（FIB）系统。1988年，首台FIB-SEM双束系统成功面世，20世纪90年代，商业化的双束系统开始普及。

随着技术的发展，FIB-SEM双束系统不断集成新型探测器、微纳操控器和测试装置，成为功能强大的综合分析与表征设备，其应用范围也从半导体行业扩展到更广泛的领域。

系统构成与原理

FIB-SEM双束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台五部分构成。离子源在顶端产生带正电的离子，通过静电透镜和偏转装置实现对样品的可控扫描。样品加工通过加速离子轰击样品实现，产生的二次电子和离子由探测器收集用于成像。为保证离子束不受气体分子影响，样品腔和离子束镜筒需在高真空条件下工作。

典型 ＦＩＢ-ＳＥＭ 双束设备示意图

液态金属镓离子源的实物照片

应用领域

1. TEM样品制备：利用FIB-SEM双束系统在感兴趣的样品区域内制备高质量的TEM样品，包括非提取法和提取法两种方式。金鉴实验室利用FIB-SEM双束系统为客户制备高质量的TEM样品，确保样品的完整性和分析结果的准确性。

ａ. Ｈ 形减薄样品的侧视照片  ｂ. Ｈ 形减薄样品的俯视照片

2. 微纳尺度力学性能测试样品制备：FIB用于加工各种几何形状的力学测试样品，以实现对微纳尺度材料力学性能的高精度测量。

ａ. 微拉伸示意图  ｂ， ｃ. 拉伸试样   ｄ. 透射电镜中进行拉伸试验

3. 材料三维成像和分析：通过FIB逐层切割和SEM成像交替进行，结合软件三维重构，实现对材料结构、形貌及成分等信息的表征。

聚焦离子束的三种工作模式 ａ. 成像  ｂ. 加工；ｃ. 沉积

２Ｄ 取向成像图片和三维重构图

结论

FIB-SEM双束系统作为一种先进的分析工具，在材料科学、生命科学和地质学等领域展现出广泛的应用潜力。通过不断优化和集成新技术，该系统在提升材料分析精度和效率方面发挥着重要作用。