作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/fWB5SqpNgT9qeDVq3rct9w
💡导读：聚焦离子束（FIB）技术作为纳米加工的重要工具，在材料科学和微纳制造等领域发挥着不可替代的作用。本文将深入探讨FIB减材加工的基本原理、关键技术及其在各个领域的创新应用。
FIB最为经典的用途是局部材料去除（减材加工）。入射离子通过动量传递触发物理溅射，将靶原子逐层击出，进而获得纳米甚至亚纳米级的图案分辨率。
传统Ga⁺束兼具较高溅射产率与稳定光学性能，因此在电路开槽、TEM薄片制备及纳米结构原型验证中占据主导地位。然而，Ga⁺高质量带来的晶格应变、掺杂与非晶化也成为制约因素。
近年兴起的He⁺、Ne⁺等轻离子源，凭借更小的相互作用体积与更浅的穿透深度，可显著抑制副损伤并提升空间分辨率；而Xe⁺、Au⁺等重离子则因高去除速率在大面积粗加工中展现优势。
如何在分辨率、效率及损伤之间取得平衡，是减法FIB持续优化的核心命题。
📊 FIB减材加工的应用
FIB减材加工是局部且直接的，它在实现目标几何形状、基底材料及其几何形状方面提供了极大的灵活性。通常，FIB加工可以通过SEM进行原位监控，以实现直接对齐和质量控制。表1提供了基于FIB减材加工的各种应用概述。
表1 聚焦离子束(FIB)技术减材加工应用汇总表
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研究领域 |
应用 |
离子 |
材料/几何形状/器件 |
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材料科学 |
TEM样品制备 |
Ne, Ga, Xe |
铝合金和硅， 广泛材料范围， 铝和硅，铝合金 |
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APT样品制备 |
Ne, Ga, Xe |
铝合金和氧化铝薄膜结构 广泛材料范围 铝合金，钛合金 |
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机械测试 |
Ga,
Xe, Ne |
微/纳米柱，缺口和微悬臂梁，“狗骨“拉伸试样，悬浮膜，其他几何形状 微/纳米柱，沟槽 |
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半导体技术 |
掩模修复 |
He, H, N, Ga, Au |
钼硅化物光掩模， 玻璃基铬光掩模（包括透明缺陷修复沉积和TiN EUV掩模不透明缺陷气体辅助刻蚀）， 玻璃基铬光掩模，硅基金X射线掩模（包括沉积和气体辅助刻蚀） |
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电路编辑 |
He, H, N, Ga |
互补金属氧化物半导体(CMOS)电路， 钯分解制备导电线 |
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量子和磁性材料 |
超导性 |
Ga |
Sr₂RuO₄中的非常规超导性，强分层高温超导体中的约瑟夫森涡旋，涡旋钉扎，定向涡旋运动，高温超导性 |
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超导电路 |
Ne, Ga, Xe |
Nb、NbN和YBCO中的纳米收缩结构和纳米SQUID，Nb中的纳米SQUID |
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自旋电子学和磁振子学 |
Ne, Ga |
坡莫合金微带修整，环境依赖的铁磁共振，磁翻转，自旋波相位反相器 |
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磁学 |
Ga |
铜铁矿中的表面时间反演对称性破缺 |
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拓扑学 |
Ga |
拓扑半金属，费米弧表面态，Kagome导体 |
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应变工程 |
Ga |
Sr₂RuO₄，CeIrIn₅ |
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光学 |
光子器件 |
O, Ga |
金刚石中的光学桥接结构，硅中的非球面微透镜，硅中的实心浸没透镜和金刚石中预定位量子发射器周围，金刚石中量子发射器周围的光子晶体腔，金刚石和YVO₄中的三角纳米梁腔，X射线显微镜用菲涅尔波带片，通过硬掩模铣削，偏振和相位工程用超表面，CdSe量子点单光子发射用锥形纳米天线 |
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光纤光学器件 |
Ga |
实验室芯片上，硅纳米纤维中的布拉格光栅和微透镜，光纤上超导纳米线单光子探测器(SSPD) |
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等离激元器件 |
He, Ga |
铝蝴蝶结天线，不同形状的金二聚体天线，金同轴和分裂球纳米狭缝谐振器，金锥形和微球腔，金低聚物，反向金三聚体和低聚物，金槽波导形成逻辑门，EUV光产生用金蝴蝶结天线，反向银蝴蝶结，金天线阵列的环形束图案化，八木宇田型天线，λ/2天线，不对称银低聚物，金中双线波导形成自旋光学纳米器件 |
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定制探针和传感器 |
近场显微镜 |
He, Ga, Xe |
锥形金纳米腔中的方形纳米孔，金纳米锥天线，圆形和蝴蝶结纳米孔，针尖开孔几何形状，金蝴蝶结和纳米锥天线，纳米狭缝光栅在金锥形锥上，近场扫描微波显微镜的探针整形 |
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原子力显微镜 |
Ga |
液体和离子传输用纳米级孔径，针尖锐化，改性机械响应 |
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磁力显微镜 |
Ga |
探针针尖处的V形磁性纳米结构 |
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SQUID显微镜 |
Ga |
原子力显微镜悬臂梁上的SQUID |
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机械高Q谐振器 |
He, Ga |
声子晶体，石墨烯蹦床 |
https://doi.org/10.1063/5.0162597
1️⃣ FIB在材料科学中的应用
🔬 高分辨率TEM横截面样品制备
在众多FIB离子源中，液态金属离子源（LMIS）Ga-FIB因其装置成熟、离子束稳定而最为普及。针对此类仪器，研究者已发展出一整套从大块材料中精准切取、薄化至电子透明的流程。
具体而言，利用低加速电压、斜入射角与逐级递减束流，可显著抑制表面非晶化层的厚度；同时，通过沉积Pt、C等覆盖层并配合摇摆台铣削，可有效消除“窗帘”效应。近年来，惰性气体离子源（Ne-FIB、Xe-FIB）的商业化为样品制备提供了新的可能。与Ga离子不同，贵气体离子不与样品发生化学反应，也不会在晶界处聚集，因而可显著降低离子注入与化学污染风险，为高纯度、高保真度的截面分析奠定基础。
🔬 APT针状样品制备
APT要求样品具备尖锐的针状几何形貌（顶端半径＜50 nm），传统电化学方法难以实现对复杂材料体系的普适加工。
FIB环形铣削则能通过逐级缩小铣削环、梯度降低束流电流的方式，精确塑形并获得理想尖端。
与TEM制备相似，束损伤始终是不可忽视的核心问题。尤其对Ga-FIB而言，注入的Ga离子可能在后续升温或激光脉冲探测过程中发生扩散，导致定量分析误差。
一种有效策略是在完成粗加工后，以Ne-FIB进行最终抛光，据报道可清除针尖外层所有可检测的Ga污染。此外，低温（< −100 °C）Ga-FIB铣削同样被证实能够限制Ga在固体中的扩散深度，为对温度敏感材料的APT制样提供了可行路径。
🔬 特定位置三维断层成像
FIB的“定点截面”能力使其成为原位/外部多模态分析（如SEM、EDS、EBSD）的理想伴侣。
通过事先在SEM中锁定目标结构，再以FIB切割，即可暴露内部截面并在同一平台实现元素成分或晶体学测定。进一步地，若将此过程自动化为连续切片—成像—重建的循环，即可获得材料或器件的三维破坏性层析数据。
该方法目前已广泛应用于锂离子电池电极、固态燃料电池以及生物矿化等复杂体系，为阐明形貌—成分—性能之间的内在关联提供了前所未有的三维视角。
2️⃣FIB在微纳尺度机械测试中的应用
FIB技术在微纳尺度机械测试中的应用，已经成为揭示尺寸效应和微观变形机制的重要手段。
随着器件微型化的发展，构件的外部尺度往往与位错间距、晶界间距等关键内部尺度相当，而传统宏观测试方法难以精确测量如此有限体积材料的力学性能。
Uchic 等人在2004年提出利用 FIB 铣削制备微柱并在纳米压痕仪中实施微压缩实验，为研究金属尺寸依赖行为开辟了新途径；此后，FIB 加工在小尺度机械测试领域迅速普及。
🔧FIB 制样及其优势
相较于光刻加蚀刻的净化室工艺，FIB 能够在任意位置、对几乎所有材料进行三维去除加工，并通过车床铣削结合环形铣削获得锥度极小、周长均匀的微柱或其他复杂几何体。车床铣削过程中，样品以小步进角度旋转，离子束沿预设轮廓扫描，可有效应对绝缘材料或多层异质结构中溅射率差异带来的加工困难。
这种“定点、定形、定材”能力，使研究者能够针对晶粒边界、相界面、缺陷集中区等特定微区开展力学测试，极大提高了实验的针对性。
🔧原位表征与综合工作流程
目前，多数微小尺度机械测试依托SEM或TEM原位平台进行，以实现从原子到微米尺度的形貌、位错、孪晶及相变的同步观察。
典型流程包括：
- FIB制备：微/纳米柱、刀口槽、锐缺口等
- 原位加载：在电镜腔体内加载压缩、拉伸、弯曲或疲劳载荷并实时成像
- 应变量化：通过FIBID/FEBID在样品表面沉积标记点阵，配合数字图像相关（DIC）算法
- 后处理分析：利用层析FIB切片或3D EBSD进一步重建内部结构演化
这种“制样—加载—表征—后剖析”一体化流程，使研究者能够系统揭示尺寸效应、断裂萌生位置以及多尺度耦合机制。
用于微观力学测试的常用FIB加工样品几何形状：(a) 微柱。(b) 缺口微悬臂梁。(c) 微拉伸棒。(d) 微剪切测试结构。
🔧 离子束损伤与抛光策略
离子注入、碰撞级联和非晶化是 FIB 加工不可避免的副作用，会显著影响微结构的本征力学响应。
普遍采取逐级降低束流电压与电流的多步铣削策略，在最终抛光阶段常用5–10 kV、几十pA 以下的低能束；若需进一步消除损伤层，可辅以低能Ar离子或等离子清洗。
然而，注入深度及引起的脆化、硬化效应仍难以完全消除，这对高韧性合金和陶瓷的断裂韧性测试尤其敏感。
🔧替代离子源与工艺融合
为缓解 Ga 离子带来的化学掺杂和深层辐照损伤，He、Ne、Xe 等新型等离子体 FIB 相继商业化。
研究表明，He 离子可实现 <10 nm 半径的极锐缺口，而 Xe 离子束由于波长限制在分辨率上稍逊；然而 Best 等人的对比试验指出，无论使用哪种离子源，测得的断裂韧性均受到一定影响，说明离子穿透深度与损伤层性质仍是关键决定因素。
近年来，激光与 FIB 的耦合设备日益普及：先用皮秒激光去除大体积材料，再以 FIB 精修细节，可显著提升效率并减少深层损伤，为大尺寸试件或多孔/复合材料提供了新的加工思路。
3️⃣半导体行业：精密手术的艺术
FIB技术自十世纪八十年代进入半导体加工领域以来，凭借纳米量级的加工精度和灵活的束流控制，已成为支撑先进工艺开发与生产维护的关键工具。
随着器件特征尺寸从22 nm迅速迈向3 nm节点，FIB的角色愈加凸显，其主要应用可概括为电路编辑、故障隔离与光掩模修复，并延伸至样品制备、背面开窗和高纵横比结构加工等多元场景。
🔧 电路编辑与故障隔离
FIB赋予研发工程师对单个晶体管乃至互连线进行“手术式”修改的能力。早期以Ga离子束为主流手段，但Ga的深层植入会引入寄生效应并影响器件可靠性。
为降低损伤、提升空间分辨率，基于气体场离子源（GFIS）的Ne离子束逐步取代Ga成为首选，其可在14 nm宽度的通孔中实现高纵横比刻蚀，且在环振荡器时序测试中表现出更低的附带损耗。此外，质谱优化型热离子源（MOTIS）所产生的Cr离子束亦显示出潜在优势。
总体而言，更低束流能量与更窄的能量展宽是保持高分辨率加工的核心。
🎭光掩模修复方面
起初，人们使用源自液态金属离子源（LMIS）的Ga、Au束对光掩模缺陷进行沉积或刻蚀修复，但植入离子的染色效应限制了应用范围。后续研究引入H⁺、H₂⁺、N₂⁺及He⁺等轻质离子，成功将最小可修复尺寸降至11 nm，仅为传统电子束修复的一半。除离子种类的革新外，反应性气体（如Cl₂、Br₂、XeF₂、O₂）的配合使用显著提高了蚀刻速率并有效去除碳污染，其中XeF₂更已在多家商业FIB系统中广泛应用。
🔬 FIB诱导沉积（FIBID）
FIBID技术为掩模及电路缺陷“加材”提供了便捷通道。
早期人们利用Ga束分解碳氢前体实现碳沉积补偿，近年来则扩展到以金属有机物或无机前体沉积W、Pt、SiOx等复合材料，进一步提高了电学与机械性能。配合静态束流铣削，可在极短时内构建高纵横比结构，为TEM样品制备提供了前所未有的灵活性。
然而，GFIS体系虽在空间及时间解析度上优于传统Ga-FIB，却也面临气泡生成及基体下方缺陷累积的问题，尤其在大体样品的深度铣削时更为突出。
如何通过束流整形、低温加工或脉冲束模式抑制气泡形成，成为未来工艺优化的重要课题。同时，为了兼顾加工效率与终点控制，学界提出以“每个溅射原子的二次电子产额”作为评价指标，为高信噪比终点检测提供了量化准则。
4️⃣量子材料：探索神秘量子世界
“量子材料“是指量子现象以非平凡方式显现的材料体系，其响应函数与传统电子材料（如硅或铜）存在本质差异。
🌟量子材料的独特性质
这些独特性质通常源于量子系统的非局域特性，其中拓扑效应、几何挫折和强电子关联发挥着核心作用。量子材料研究的关键目标是深化对这些奇异量子态的微观和现象学理解，并开发预测性工具从众多候选化合物中筛选出有前景的材料。
量子材料研究的第二个主要驱动力来自新型电子器件应用，这些应用充分利用其奇异行为来解决技术挑战。最具代表性的是量子信息技术，包括量子计算，它直接利用量子相干系统的纠缠特性和广阔的构型空间。寻找实现量子比特等系统的最佳材料平台仍是一个开放且极其活跃的研究领域，即寻找量子技术的“硅材料“。
除相干信息处理外，在传感和数据通信领域也发展出广泛的材料体系，间接利用量子相干性。量子力学的普适性带来了最大的挑战，需要材料科学、化学、物理学、工程学和信息学等多学科协同努力，才能以实用的方式实现这些概念。
🎯 FIB在量子材料中的优势
在探索新物理现象和新量子平台的过程中，FIB作为多功能图案化工具，非常适合非标准材料的快速加工，这是因为它具有以下优势：
✅避免湿化学工艺：不需要基于抗蚀剂的光刻
✅适用非标准样品：可直接应用于晶粒和微颗粒
✅精确3D控制：对三维量子材料至关重要
研究的操作目标是制备混合结构，将量子材料的微/纳米结构与传统硅芯片架构相结合，以展示先进功能并探测潜在的新物理现象。
🔬超导性研究的突破
量子系统通常对边界条件的变化极为敏感，特别是其物理形状的改变。FIB能够在晶体中精确构造非平凡的边界条件，这一方法已成功应用于超导性的研究和功能化。
例如，研究Sr₂RuO₄的非常规超导机制，以及高层状高温超导体中约瑟夫森涡旋及其激发态。通过表面结构化实现的受控图案可引导Abrikosov涡旋晶格的运动，产生非平凡的电子响应，如涡旋二极管效应。
在小尺寸超导器件应用方面，FIB铣削技术还能直接制备约瑟夫森结、纳米线和纳米SQUID（nanoSQUID）等器件。nanoSQUID可用于检测单个磁性纳米颗粒的磁化翻转，以及在扫描SQUID显微镜中进行磁性和热传感。在微波电路中，nanoSQUID可作为可调电感器，用于调节微波谐振器的谐振频率。
🧬拓扑材料的探索
FIB技术在奇异材料研究中展现广泛应用：超洁净金属中的准粒子输运研究、拓扑半金属中的磁交换偏置效应等。样品微米级缩减增强了表面性质对整体物理行为的贡献，特别是拓扑保护表面态的探测——这是新型电子和自旋电子应用的基础。
FIB加工优化结构边缘质量，为制备高效超导单光子探测器（SSPD）提供关键支撑。其三维基底加工灵活性使光纤端面FIB铣削成为可能。
减材FIB技术在自旋电子学和激子电子学中广泛应用，典型如Ga-FIB引导控制传播自旋波。气体场离子源（GFIS）的高分辨率无金属离子FIB技术，能在纳米间隙中精细调节自旋波相互作用。
FIB铣削实验专门探测新材料本征体相性质，特别是微晶体等常规测量难以获取的材料。这使研究者能够深入理解Fe基超导体临界电荷输运机制、确定微晶体拓扑能带结构，以及探测反铁磁态的可切换性。
量子材料的物理响应源于多种电子基态竞争，微弱扰动即可引起剧烈变化。FIB铣削相比传统机械制备技术（抛光、线切割）具有显著优势：动态特性能降低样品残余应力，精确控制样品物理形状，实现应变场及其梯度的微观调控。
5️⃣光子学与等离子体学：光的精密操控
微型化的片上光子组件旨在引导或聚焦光线，同时最大限度地减小器件占地面积。
这些组件的制造主要依赖传统的大规模光刻技术，然而在特定应用场景中，无掩模直接写入策略展现出显著优势。
💎量子光源的制备
局部光源应用是典型实例，特别是单光子光源的情况下，光学组件通常需要围绕预先定位的量子发射体进行构建。这类量子发射体可能是宽带隙材料中的缺陷。在这些材料中，由于宿主材料（如金刚石）的高折射率特性，量子光的外耦合效率往往受到限制。
针对这一挑战，FIB铣削技术——无论采用Ga离子还是为减轻Ga诱导损伤而使用的O离子——已成功应用于雕刻固体浸入透镜，有效提升了光子收集效率。类似地，通过将具有小模态体积的光子晶体腔体铣入悬挂金刚石层中，实现了自发辐射的显著增强。
🏆等离子体纳米结构
金属纳米结构利用自由电子气集体激发将光聚集到衍射极限以下。等离子体极化子模态对几何形状的强烈依赖性使FIB成为制作纳米谐振器、亚波长孔径和光学天线的理想工具。
极端等离子体场约束实现单分子检测，通过表面增强拉曼散射、增强荧光或福斯特共振能量转移实现。Ga-FIB制造的天线盒结构中，二聚天线间隙提供局部电场增强，金属薄膜阻挡荧光背景干扰。
Ga-FIB适用于Au或Ag纳米片的高保真度快速原型制作。虽然EBL在几何形状和加工条件方面表现更优，但在3D轮廓制造时存在局限性。
FIB在3D加工方面独具优势，如制造3D贾努斯等离子体螺旋纳米孔用于极化加密存储。“纳米折纸“技术结合Ga-FIB铣削和低剂量离子辐照，实现结构精确弯曲，应用于光学手性、偏振和相位工程。
FIB具有超越其他光刻技术的分辨率和形状保真度，但串行性质导致速度较低。解决方案包括：
- EBL + He-FIB：结合大面积处理与高分辨率
- Ga-FIB + He-FIB：保持合理速度的同时提升空间分辨率
- 轮廓铣削与剥离：仅铣削特征轮廓后剥离周围材料
这些混合策略已成功用于演示等离子体二聚天线中的强耦合效应。
6️⃣ 定制探针制造：精密工具的艺术
由于FIB铣削技术不受平面样本几何形状限制，在光纤、纳米纤维和纳米探针的改性方面已开展了大量研究工作。
Sloyan等人的综合评述涵盖了光学近场成像、等离子体电子学、光束整形、基于光纤的光子腔以及光纤与芯片耦合等多个应用实例。
🔍近场光学显微镜（NSOM）
FIB铣削对纳米结构几何形状的精确直接控制能力，对近场光学显微镜（NSOM）技术具有重要意义。在NSOM中，金属涂层玻璃光纤尖端通过纳米孔或天线聚焦等离子场，实现光的激发和/或收集功能。
在NSOM相关应用中，FIB铣削被用于在金属涂层玻璃光纤尖端制造高分辨率等离子体圆形纳米孔。通过在孔边缘添加尖端结构，可进一步实现信号增强和荧光背景降低，这种设计结合了散射和孔NSOM的技术概念。
早期研究中，尖端通过FEBID生长并随后金属化制备。后续工作采用氦FIB铣削在金属（铝）光纤涂层中直接刻蚀尖端–孔几何结构，并通过调整尖端共振使其表现为单极天线，成功实现了单分子成像和细胞膜蛋白质成像。
研究人员实现了多种几何形状的纳米结构，包括金属尖端和金属涂层光纤尖端，用于精确控制等离子体响应。具体应用包括：
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纳米锥结构：通过Ga-FIB铣削制造，用于共振和辐射模式调节
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纳米金字塔：通过He-FIB铣削制备，用于优化局部电近场
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纳米缝光栅：通过Ga-FIB铣削在金属尖端锥形结构中刻蚀，实现远场照明条件下的纳米聚焦
🔬 AFM探针的特殊化改性
FIB铣削部分去除商业MFM探测器磁性层，在三角金字塔一侧保留V形纳米结构，提高磁性相位对比度的同时保持空间分辨率。
在中空金字塔AFM尖端铣削纳米级孔道，实现液体注入功能，可释放阿托升级别微量体积并创建液滴阵列。功能化尖端可通过流体AFM技术实现单细胞操控和分析。
通过FIB铣削实现尖端锐化，在微操控器辅助下从基底分离后安装到指定悬臂梁，制备高纵横比定制化尖端。
AFM悬臂梁通过FIB铣削制备孔道，配合扫描探针对准技术实现离子注入功能。在压阻悬臂梁上刻蚀特定图案可提高偏移灵敏度，优化整体性能。
近期研究中，Ga-FIB铣削技术被用于塑造AFM尖端并在悬臂梁上制造台阶结构，进而制备Nb纳米SQUID器件。这种集成结构能够同时实现拓扑、磁性和热成像功能，展现了FIB铣削在多功能纳米器件制造中的巨大潜力。
7️⃣未来展望与挑战
作为一款多功能加工工具，FIB为自上而下纳米结构及器件的灵活快速制造和原型制作提供了强大平台。为了进一步推动这些技术发展，FIB不仅需要在空间分辨率方面实现突破，还需要在原位控制材料去除过程的精度上取得改善。
🎯技术挑战与限制
当前面临的关键技术问题包括材料溅射选择性的优化，以及在铣削高纵横比结构时提高二次电子（SE）监控信噪比的需求。然而，自上而下FIB纳米制造技术本质上受到能量粒子和化学物质诱发的结构与化学损伤或变化的限制，例如非晶化或材料中毒等现象。
🌟离子种类的技术革新
尽管传统Ga-FIB仍是FIB技术的主流标准，但上述根本性限制有望通过采用其他离子种类得到解决。这些新兴技术包括GFIS、MOTIS、LoTIS、PFIB或LMAIS等系统提供的多样化离子选择。
🎊规模化生产的实现路径
基于FIB的自上而下纳米制造技术的规模化应用，只有在实现更高生产效率和工艺再现性的前提下才能达成。在此方面，软件和硬件工具的持续进步至关重要，特别是基于模型的自动化操作系统的发展，这将有利于FIB加工与更大规模（纳米）制造流程的在线集成。
🌐理论支撑体系的重要性
能够在原子到微观尺度范围内提供精确描述的理论知识、建模和仿真工具，对于预测设计和实现纳米结构表面及功能器件的特性与功能具有不可替代的作用。
🔮协同发展的战略机遇
根据特定实验需求，存在协调推进FIB系统发展的重要机遇。例如，量子技术等新兴领域的蓬勃发展，以及实验室芯片（lab-on-chip）或器官芯片（organ-on-chip）开发中微流体学新型微型平台的需求，都将从理论研究团队与FIB应用社区中工具制造商之间的深度协作中获益。
这种跨学科、跨领域的合作模式将为FIB技术的持续创新和应用拓展奠定坚实基础，推动纳米制造技术向更高精度、更大规模和更广应用的方向发展。
