备注："Electrospraying" 是一种通过电荷作用产生微小液滴或颗粒的过程。当电压增加时，表面张力会被克服，液体形成一个圆锥状的尖端。随着电场的增强，这个液滴最终会变得不稳定并从喷嘴上喷射出来，形成微小的液滴或颗粒。

图1. 2009年3月27日欧航局ESA发射了一个名为GOCE的卫星探测器来探测地球重力场和海洋环流。由于测量精度要求，它的飞行轨道低至250公里，在这个高度，空气阻力并不能被忽视。为了克服空气阻力，它装备了一台离子推进器，不间断工作了2年却只消耗了40公斤氙。（四川实验室检测设备）

离子推进器能产生微牛顿级的力，用于空间物体的导航，而我们陆地使用的 FIB 仪器则能制造、改造和表征微米到纳米级的物体。

FIB加工的主要应用仍然是为高分辨率成像技术服务，特别是为透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）以及使用扫描电子显微镜（SEM）进行三维体积成像而进行的样品区域选择性制备。关于这些重要而成熟的应用，目前已有多篇综述。

然而，由于FIB可用于以各种方式对任何材料进行纳米级的改性，从定向掺杂到结构改性和几何塑形，从基础研究到技术的所有领域，FIB都是一种强大的工具。

本文将重点介绍 FIB 的各种离子源技术。（四川半导体微组装设备自动化）

如何产生精细聚焦的离子束，会面临几个工程挑战。此外，根据应用的不同，对离子束的要求可能会有很大不同，甚至会出现参数冲突的情况。例如，对于许多应用来说，需要高束流来实现高效的铣削（即通过溅射去除材料）。然而，高束流倾向于以较大的能量分布输送离子，从而导致强烈的色差。由于这个原因（以及其他原因，如透镜的球面像差），构建高束流且高分辨率离子源，具有挑战性。FIB仪器在许多其他领域应用，也存在类似冲突的情况。

FIB的离子源定义了仪器的许多属性，包括可实现的离子束斑大小。为了在FIB中实现高空间分辨率，需要具有高亮度的离子源。

亮度公式意味着如果离子从高度局部化的区域发射到明确定义的方向，则它们适用于显微镜放大和纳米制造。考虑FIB的加速电压，从上述定义中可以推导出本征亮度；表1中给出了不同离子源的代表值。（半导体清洗设备自动清洗机）

一般而言，较小的(虚拟)离子源尺寸意味着较高的亮度，因此可获得较高的横向分辨率。然而，对于仪器的最终分辨率，其他参数，如可提取的离子电流、能量分布，当然还有离子光学器件的性能也很重要。

LMIS/LMAIS的上标q表示获得的不同电荷价态（从1价到3价）;对于等离子体源，可以获得更高的电荷状态。

LMIS/LMAIS的下标n表示包含多达10个离子（甚至更多）的多原子簇的发射。

标有*的ILIS参数为参考文献中的估计值。

为了更好地进行比较，横向空间分辨率被转换为FWHM值，假设高斯离子束轮廓导致类似误差函数的边缘轮廓。

在离子源领域，随着液态金属离子源(LMIS)和气体场电离源(GFIS)的发展，第一次技术突破出现在20世纪70年代。

GFIS从可追溯到1950年代的场离子显微镜(FIM)发展而来，并首次用于生物样本的扫描透射离子显微镜(STIM ), 而LMIS最初是为空间推进器应用开发的。

LMIS由一根毛细管或一个尖锐的针尖组成，用熔化的金属浸湿。通过表面张力和施加的电场的组合，形成所谓的泰勒锥，导致通过场蒸发从源顶点提取离子。由于镓的低熔点和低蒸汽压，最常见的LMIS是基于镓。事实上，Ga-LMIS仍然是FIB仪器使用最多的离子源，不仅因为它的高亮度，还因为它的离子源稳定性。

与LMIS直接相关的是液态金属合金离子源（LMAIS），通过使用各种合金，可以获得更广泛的离子种类，但离子源寿命从几分钟到几个月不等。

根据同源原则，离子液体离子源（ILIS）被一种化合物润湿，该化合物可解离成分子阴离子和阳离子，如离子液体C₆N₂H₁₁-BF₄(EMI-BF₄)、C₆N₂H₁₁-GaCl₄ (EMI-GaCl₄), 或C₈N₂H₁₅-I (BMI-I)。因此，ILIS能够产生带正电和负电的分子离子束，但尚未在商业上应用。（四川半导体微组装设备公司）

GFIS在低温下运行，通过吸附气体原子的场电离产生离子，其特点是亮度最高，因此是迄今为止开发的所有源中可提供的空间分辨率最高的。这是原子级尖锐发射器的结果，其尖端仅由三个原子组成，即所谓的三聚体，每个原子发射一个小射束，从而形成一个大小在埃范围内的虚拟源。

三聚体必须由用户操作形成，并且通常只有几天到几周的寿命。广泛用于高分辨率成像和高分辨率（无金属）铣削的离子源气体是He和Ne。GFIS在使用H2、 N2、Xe、和Kr时也能正常工作。

用于 Ga-FIB 的液态金属离子源(LMIS) 以及用于He 和Ne-FIB 的气场离子源 (GFIS)

与之密切相关的一种离子源技术是原子尺寸离子源（ASIS），它使用沉积在由难熔金属或其他惰性材料制成的具有高场电离强度的尖端上的金原子（已演示过金和银原子）的场发射。由于该技术采用了单原子电离位点，因此有望获得高分辨率。然而，除其他问题外，ASIS 的使用寿命有限也阻碍了它在实际FIBd仪器中的应用。

另一种提供非金属离子的离子源是所谓的等离子体聚焦离子束（PFIB）仪器的等离子体离子源。等离子体离子源可实现高达2μA的高电流，使用寿命长，但亮度低于LMIS离子源。

由于镓离子源的特性，实际上开口窗口的尺寸通常远小于 100 微米。对于制备更大的结构（几百微米大小），如凸块或 2.5D/3D 封装，不建议使用 Ga-FIB。

带有 Xe+ 离子源的新一代等离子 FIB (PFIB)，可将开口窗口扩展到几mm。与以前的 GaFIB 相比，PFIB 的铣削速度至少比FIB 快 20 倍，而且在样品支架的切削刃设计帮助下，离子束抛光过程中的样品损伤可大幅减少。

等离子体可以通过电子碰撞产生，如在双等离子管中，通过射频天线中交流电的感应耦合—感应耦合等离子体（ICP），或通过电子回旋共振（ECR）离子源中的微波。

除了上面提到的系统（其中大部分是市场上可买到的）之外，还有其他不太常见的离子源类型。一个例子是所谓的冷原子离子源，其中有两种类型:磁光阱离子源（MOTIS）和低温离子源（LoTIS）。这些技术使用磁光阱（在LoTIS的情况下与激光冷却相结合）来产生捕获的原子云或具有微开尔文范围内（横向）温度的强原子束。

阱或束中的原子随后被场电离或光电离，以产生高亮度和低能量扩散的同位素纯单电荷离子束。MOTIS/LoTIS在低能量下实现了良好的分辨率，并适用于各种离子，但需要的技术高度复杂。

图1  FIBs可用离子种类的元素周期表。每个元素的颜色显示相应的离子源类型。不可用、有毒或仅作为放射性同位素可用的元素的离子也用颜色表示。如果使用多种类型的离子源可获得特定元素的离子，则显示为已标记。斜线表示这些元素的离子没有被广泛使用和/或产量低。

另一个例子是纳米孔径离子源（NAIS），它使用电子碰撞气体离子源，可以安装在标准SEM仪器上，从所有惰性气体或质子中释放离子。更不常见的离子源类型有保罗阱、电子束离子阱（EBIT）、多尖等离子体离子源、固体电解质离子源和电喷雾电离源。

FIB仪器当前可用的所有离子种类的系统概述以元素周期表的形式显示在图1中。用于FIB的最常见离子源类型及其关键参数在表1中进行了比较。

新离子源的日常使用需要优化的关键因素是源寿命和稳定性。寿命问题通常与污染有关，通常可以通过在更清洁的条件下工作来解决。然而，在其他情况下，寿命和稳定性问题可以追溯到离子源本身。

例如，从某些元素（如从LMAIS中提取的Al和P）形成稳定的离子束仍然具有挑战性。这些不稳定的确切原因尚不完全清楚。源稳定性对于大体积溅射应用以及聚焦离子束诱导沉积（FIBID）和基于抗蚀剂的FIB光刻也特别重要。为了获得最大的图案保真度，这些应用要求FIB具有高度稳定的发射电流和离子束定位。

稳定性差的例子有Ne-GFIS的短期电流波动和长期电流漂移以及LMIS和LMAIS源尖端的脉冲、液滴和小球发射等效应。

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