芯片逆向解剖利器-聚焦离子束（FIB）切片技术

发布时间：2024-05-20

一、引言

在当今的微观世界研究中，聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）已经成为一种不可或缺的工具。它具有极高的精度和灵活性，使得科学家能够在纳米级别上对材料进行精确的加工和观测。其中，聚焦离子束FIB切片技术更是广泛应用于材料科学、生物学、医学等领域。本文将详细介绍聚焦离子束FIB切样的原理、特点及应用。

FIB Helios G3 聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)

二、聚焦离子束FIB切片原理

聚焦离子束FIB切片技术的基本原理是利用高能离子束将目标样品进行切割。首先，通过离子源产生离子束，经过聚焦透镜和扫描电极后，形成极细的离子束。该离子束在样品表面聚焦并扫描，通过物理撞击和化学反应，将目标样品逐层剥离，从而实现切割。

FIB-SEM技术原理

(a) FIB-SEM双束系统工作原理示意图;(b) Ga离子束与样品的相互作用示意图;(c) FIB离子束可是样品的示意图;(d) FIB离子束和GIS系统在样品表面进行诱导沉积的示意图。FIB-SEM可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通扫描电镜的集合。

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FIB-SEM切片测试过程

在聚焦离子束FIB切片过程中，离子束的能量密度和扫描速度是关键因素。能量密度决定了切割效率，而扫描速度则决定了切割精度。通过精确控制这些参数，可以实现不同样品和不同需求的切割。

此外，为了确保切割的精确度和样品完整性，聚焦离子束FIB切片过程中通常需要辅助气体或液体流，以对切割过程中产生的样品残渣进行吹扫和冷却。

三、聚焦离子束FIB切片技术特点

1. 高精度和灵活性：聚焦离子束FIB切片技术具有极高的精度和灵活性，可以实现在纳米级别上的切割。这使得科学家能够在微观尺度上对材料进行深入研究。
2. 样品无损：由于聚焦离子束FIB切片过程中仅通过物理撞击和化学反应剥离样品，因此对样品的损伤极小，能够保持样品的完整性。
3. 可加工复杂形状样品：聚焦离子束FIB切片技术不仅适用于平面样品，还可加工复杂形状的样品，如三维纳米结构、微纳器件等。
4. 可集成其他微观操作技术：聚焦离子束FIB系统可以集成其他微观操作技术，如电子束曝光、扫描隧道显微镜，TOFSIMS等，从而实现更复杂的微观操作。

四、聚焦离子束FIB切片技术的应用

1. 半导体制造：在半导体制造领域，聚焦离子束FIB切片技术广泛应用于芯片结构分析、芯片逆向解剖、失效分析等方面。通过使用聚焦离子束FIB对失效芯片的失效位置进行切割和观察，可以深入了解芯片失效原因，提高芯片制造质量。
2. 生物学研究：在生物学研究中，聚焦离子束FIB切片技术被用于切割细胞和组织样品，以进行后续的观测和分析。例如，通过对动物胚胎进行切割和观测，可以了解胚胎发育过程中的细胞分裂和分化情况。
3. 医学诊断与治疗：在医学领域，聚焦离子束FIB切片技术也得到了广泛应用。例如，通过对人体组织样本进行切割和观测，可以辅助医生进行疾病诊断和治疗方案的制定。此外，该技术还可用于药物研发过程中的药物筛选和测试。
4. 材料科学研究：在材料科学研究领域，聚焦离子束FIB切片技术用于切割各种材料样品，以进行结构分析、物相鉴定和应力测试等。例如，通过对金属材料进行切割和观测，可以了解材料的力学性能和微观结构之间的关系。
5. 考古学与文物保护：在考古学和文物保护领域，聚焦离子束FIB切片技术用于切割和分析古物样品。例如，通过对古代陶瓷进行切割和观测，可以了解陶瓷的制作工艺和技术发展历史。同时，该技术还可用于文物的修复和保护工作中。
6. 环境监测与污染治理：在环境监测与污染治理领域，聚焦离子束FIB切片技术用于切割和分析环境样品。例如，通过对土壤和水样