电子束聚焦应用聚焦离子束一电子束(FIB-SEM)双束系统原理|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

聚焦离子束一电子束(FIB-SEM)双束系统原理

纳米科技是当前科学研究的前沿领域，纳米测量学和纳米加工技术在其中扮演着至关重要的角色。电子束和离子束等工艺是实现纳米尺度加工的关键手段。特别是聚焦离子束（FIB）系统，通过结合高强度的离子束和实时观测技术，为纳米器件的制造和加工提供了新的可能性。本文将详细介绍聚焦离子束系统的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。

一、聚焦离子束系统的结构与原理

1. 系统结构： 聚焦离子束系统的核心是离子柱，位于样品室顶部，包含液态金属离子源、聚焦装置、束流限制和偏转装置等。样品室内设有五维可调样品架，实现多方向分析和处理。

2. 工作原理： 离子柱尖端的液态离子源在强电场作用下提取带有正电荷的离子，通过静电透镜和四极/八级偏转装置进行聚焦和扫描。系统在高真空状态下工作，以防止离子束受到气体分子的影响。

二、聚焦离子束的应用：

为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

1. 离子束成像： 利用探测器接收激发出的二次电子来成像，聚焦离子束轰击样品表面，激发出二次电子、中性原子、二次离子和光子等。与扫描电子显微镜相比，离子束成像能更真实地反映材料表层的详细形貌。

2. 离子束刻蚀： 包括物理离子束刻蚀和反应离子束刻蚀，通过离子束的动量传递和化学反应实现材料的刻蚀。适用于纳米级材料的加工，如氧化锌纳米带的刻蚀。

图2. 光纤上精确刻蚀的线宽140 nm的周期结构。Bar：2um

3. 离子束沉积薄膜： 利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料和非金属材料。通过气体注入系统将金属有机物气体喷涂在样品上，离子束能量使有机物分解，固体成分被沉积下来。

图3. 气体注入沉积工作原理图

4. 离子注入： 利用聚焦离子束系统进行无掩模注入离子，精确控制注入的深度和广度。与传统掩模注入法相比，节省成本和加工时间。

图4. FIB在Can衬底上沉积的SiO2：环形结构。Bar=2um

5. 透射电子显微镜样品制备： 利用聚焦离子束技术精确定位样品，减少因离子束轰击而引起的损伤。通过在样品保留区域上沉积一层Pt，保护该区域并逐步调整聚焦离子束的束流，实现高质量的“薄墙”制备。

图5. 透射电镜精确定位样品制备示意图

图6. 透射电镜样品制备实例

图6是透射电镜样品制备实例。利用其微加工和定位功能辅助透射电镜制样，大大缩短了精确定位透射电镜样品制备时间，提高了制样精确度和成功率。结合扫描电镜、透射电镜、x射线能谱和二次离子质谱等可在微米、纳米尺度进行微区剖面形貌、结构和组分析旧引，极大地支持了微纳米器件工艺评价和失效分析工作。

三、聚焦离子束电子束双束系统

1. 系统优势： 结合了聚焦离子束和电子束的优点，避免了各自的缺陷。扫描电子束可中和离子束轰击在样品表面残留的正电荷，反之亦然。

图7. 聚焦离子束电子束双束系统结构示意图

2. 应用领域： 广泛应用于纳米科技、材料科学和生命科学领域的研究。配备X射线能谱（EDX）和背散射电子衍射仪（EBSD）进行微区成分分析和材料结构分析。

四、展望

1. 技术挑战： 随着集成电路器件体积的减小和密度的增加，分析设备的空间分辨率和杂质探测灵敏度要求越来越高。

2. 技术进步聚： 焦离子束技术在集成电路、半导体产业等领域的应用促进了其自身技术的进步，技术指标不断提高，应用范围更为广泛。

聚焦离子束系统在纳米科技中的应用不仅推动了相关领域的发展，也为其自身的技术进步提供了动力。随着技术的不断成熟和应用领域的扩展，聚焦离子束系统将在未来的纳米科技研究和生产中发挥更加重要的作用。

一文读懂真空电子束焊接技术及应用

什么是电子束焊接

电子束焊接是熔化焊的一种，它利用会聚的高速电子束轰击工件接缝，产生热能从而使金属熔合。 它包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术。

电子束焊技术最早于1948年源起于德国，1952年制造了第一台电子束加工机，1958年诞生了第一台电子束焊机。

它的基本原理是： 在真空条件下，电子从电子枪中的发射体（阴极）逸出，在加速电压作用下，电子被加速至光速的0.3～0.7倍，具有一定的动能。再经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成功率密度很高的电子束流。这种电子束流撞击工件表面，电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速“钻”出一个小孔，也称之为“匙孔”，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，并冷却凝固形成焊缝。

为什么要在真空中进行

● 在大气的环境下，高速运动的电子遇到大气中的空气分子，会发生强烈的反射，折射，散射等现象，电子束的能量会消耗殆尽，无法正常焊接；

● 即使所剩的能量很高，在大气状态下焊接，焊接的质量也很难保证，比如气孔等；

● 基于安全角度进行考虑，因为电子束焊接过程中会有X射线产生，对人体的危害是比较大的，通过真空室可以消除X射线的影响。

高真空电子束焊在10-4～10-1Pa的压强下进行。良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊在10-1～10Pa的压强下进行，也具有束流密度和功率密度高的特点。低真空缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

电子束焊接的优势

加热功率密度大。 焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏。故电子束功率从几十kw到100kw以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103~105Kw/cm2，比普通电弧功率密度高100—1000倍。

焊缝深宽比(H/B)大。 通常电弧焊接的深宽比很难超过2，相比电弧焊接，电子束焊接可节约大量填充金属和电能，实现高深宽比的焊接，深宽比可达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。

焊接速度快，焊缝热物理性能好。 能量集中、熔化和凝固过程快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。

焊缝纯度高。 真空电子束焊接适合焊接钛及钛合金等活性材料。

● 国内电子束焊接机

焊接工艺参数调节范围广，适应性强。 电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。

可焊材料多。 不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。

电子束焊接的应用

国外最早将电子束焊应用于飞机发动机核心机部件的制造，典型代表是美国大型客机发动机——MF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊，使发动机的质量、结构设计、结构制造精度和使用寿命均得到了改善。

先进的飞机发动机是采用焊接技术连接而成的，电子束焊接技术对飞机发动机的制造起着至关重要的作用。目前在航空制造中已普遍采用电子束焊接技术，其中需要焊接的材料包括钛合金、高温合金、超高强度钢等。我国开展电子束焊工艺研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、能源及电子等工业部门，在新型飞机、航空发动机、导弹等的预研、攻关及小批量试制中都运用了电子束焊技术。