FIB常见应用明细及原理分析

FIB常见应用明细及原理分析

系统及原理

双束聚焦离子束系统可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通SEM的耦合。单束聚焦离子束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台5部分构成。离子束镜筒的顶端是离子源，在离子源上加较强的电场来抽取出带正电荷的离子，这些离子通过静电透镜及偏转装置的聚焦和偏转来实现对样品的可控扫描。样品加工是通过将加速的离子轰击样品使其表面原子发生溅射来实现，同时产生的二次电子和二次离子被相应的探测器收集并用于成像。

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如图所示。通常称电子束和离子束焦平面的交点为共心高度位置。在使用过程中样品处于共心高度的位置即可同时实现电子束成像和离子束加工，并可以通过样品台的倾转使样品表面与电子束或离子束垂直。

典型的离子束显微镜包括液态金属离子源及离子引出极、预聚焦极、聚焦极所用的高压电源、电对中、消像散电子透镜、扫描线圈、二次粒子检测器、可移动的样品基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电路控制板和电脑等硬件设备，如图所示：

外加电场于液态金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-4A/cm2，以电透镜聚焦，经过可变孔径光阑，决定离子束的大小，再经过二次聚焦以很小的束斑轰击样品表面，利用物理碰撞来达到切割的目的，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。

设备部分应用

1 TEM制样

2 截面分析

3 芯片修补与线路修改

4 微纳结构制备

5 三维重构分析

6 原子探针样品制备

7 离子注入

8 光刻掩膜版修复

常用的TEM制样

1、半导体薄膜材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的薄膜材料，多数为多层膜（每层为不同材料），极少数为单层材料。多数的厚度范围是几纳米-几百纳米。制备样品是选用的位置较多，无固定局限。

2、半导体器件材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的有各种形状材料，表面有图形，制样范围有局限。

3、金属材料

金属材料，多为表面平整样品，也有断口等不规则样品，减薄的区域多为大面积。

4、电池材料

电池材料多为粉末，每个大颗粒会有许多小颗粒组成，形状多为球形，由于电池材料元素的原子序数较小，pt原子进入在TEM下会较为明显，建议保护层采用C保护。

5、二维材料

此类样品为单层或多层结构，如石墨烯等，电子束产生的热效应会对其造成损伤，在制备样品前需要在表面进行蒸镀碳的处理，或者提前在表面镀上保护膜。

6、地质、陶瓷材料

此类样品导电性能差、有些会出现空洞，制备样品前需要进行喷金处理，材料较硬，制备时间长。

7、原位芯片

用原位芯片代替铜网，将提取出来的样品固定在芯片上，进行减薄。

截面分析

利用FIB的溅射刻蚀功能可以对样品进行定点切割，观察其横截面（cross-section）表征截面形貌尺寸，同时可以配备结合元素分析（EDS）系统等，对截面成分进行分析。一般用于芯片、LED等失效分析领域，一般IC芯片加工过程中出现问题，通过FIB可以快速定点的进行分析缺陷原因，改善工艺流程，FIB系统已经成为现代集成电路工艺线上不可缺少的设备。

芯片修补与线路编辑

在IC设计中，需要对成型的集成电路的设计更改进行验证、优化和调试。当发现问题后，需要将这些缺陷部位进行修复。目前的集成电路制程不断缩小。线路层数也在不断增加。运用FIB的溅射功能，可将某一处的连线断开，或利用其沉积功能，可将某处原来不相连的部分连接起来，从而改变电路连线走向，可查找、诊断电路的错误，且可直接在芯片上修正这些错误，降低研发成本，加速研发进程，因为其省去了原形制备和掩模变更的时间和费用。

微纳结构制备

FIB系统无需掩膜版，可以直接刻出或者在GIS系统下沉积出所需图形，利用FIB系统已经可以制备微纳米尺度的复杂的功能性结构，包括纳米量子电子器件，亚波长光学结构，表面等离激元器件，光子晶体结构等。通过合理的方法不仅可以实现二维平面图形结构，甚至可以实现复杂三维结构图形的制备。

三维重构分析

使用FIB对材料进行三维重构的3D成像分析也是近年来增长速度飞快的领域。此方法多用于材料科学、地质学、生命科学等学科。三维重构分析目的主要是依靠软件控制FIB逐层切割和SEM成像交替进行，最后通过软件进行三维重构。FIB三维重构技术与EDS有效结合使得研究人员能够在三维空间对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征；和EBSD结合可对多晶体材料进行空间状态下的结构、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息进行表征

原子探针样品制备

原子探针( AP) 可以用来做三维成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析样品在纳米尺度下的化学成分。要实现这一应用的一个重要条件就是要制备一个大高宽比、锐利的探针，针尖的尺寸要控制在100 nm 左右。对原子探针样品的制备要求与TEM 薄片样品很接近方法也类似。首先选取感兴趣的取样位置，在两边挖V 型槽，将底部切开后，再用纳米机械手将样品取出。转移到固定样品支座上，用Pt 焊接并从大块样品切断。连续从外到内切除外围部分形成尖锐的针尖。最后将样品用离子束低电压进行最终抛光，消除非晶层，和离子注入较多的区域。

离子注入

离子束注入改性研究也是FIB加工的一个基础性研究课题。例如采用高能离子束轰击单晶硅表面，当注入量充分的时候，离子轰击将在样品表层引入空位、非晶化等离子轰击损伤。在此过程中注入离子与材料内部有序排列的Si 原子发生碰撞并产生能量传递，使得原本呈有序排列的Si 原子无序化，在表面下形成一层非晶层。注入的离子在碰撞过程中失去能量，最终停留在距离表面一定深度的区域。

光刻掩膜版修复

在普通光学光刻中，掩膜版是图形的起源，但是经过长时间使用，掩膜版上的图形会出现损伤，造成光刻后的图形缺陷，掩膜版造价高，如果因为掩膜版上一个小的图形缺陷造成整个掩膜版的失效，重新制备掩膜版，成本高。利用FIB系统可以定点修复掩膜版的缺陷，方法简单，操作简单迅速。在透光区域的缺陷修复可以使用离子沉积，选择沉积C作为掩膜版的修复材料；在遮光区域的缺陷修复使用离子溅射，刻蚀掉遮光缺陷。不过使用FIB修复掩膜版最大的问题是会造成Ga离子污染，改变玻璃透光率造成残余缺陷，这点可以用RIE结合清洗的方法将有Ga离子注入的表层玻璃刻蚀去除，恢复玻璃透光率。

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北京聚睿众邦科技有限公司，是一家拥有中国科学院背景的，专业从事实验室共享与知识成果转化的国家高新技术企业。公司旗下品牌 “米格实验室”，以盘活全球科研资源，振兴中国科学技术为使命，致力于打造一家全球化的共享实验室平台，面向新材料、半导体及相关行业领域的科研和企业用户提供非标检测加工、技改解决方案及产品研发解决方案 。

电子战技术原理解析

电子战是使用电磁能或定向能控制电磁频谱或攻击敌军的任何军事行动的统称，而控制高技术战场的电磁优势是夺取战争主动权的先决条件，是赢得战争胜负的关键要素。因此围绕电子技术的应用与反应用而展开的电子战成为继陆、海、空、天四维作战空间之后的第五维作战空间。

电子战作战功能分析

电子战系统的主要作战对象是敌C4ISR系统和精确制导武器，设计上采用一体化和通用模块化结构，把多种电子战功能集于一体，通过软件重新编程使系统具备不同功能，实现资源冗余共享、动态可组、高可利用性和简化的可维修性。其主要功能通过电子攻击、电子侦察和电子防护等手段实现。

（1）电子攻击

电子攻击是电子战的进攻部分，用于阻止敌方有效利用电磁频谱，使敌方不能有效获取、传输和利用电子信息，延缓或破坏其指挥决策过程和精确制导武器的运用。电子攻击包含自卫性电子战和进攻性电子战。自卫性电子战是用电子自卫干扰、电子欺骗和隐身技术、保护作战平台或军事目标免遭敌精确制导武器的攻击；进攻性电子战是应用支援电子干扰、反辐射武器和定向能武器攻击敌方的防御体系，以保证己方的安全突防。

（2）电子侦察

电子侦察用于获取战略、战术电磁情报和战斗情报，它是实施电子攻击和电子防护的基础和前提，分为电子情报侦察和电子支援侦察。电子情报侦察是利用电子侦察设备对作战区域进行长时的信号监测、评估和分析处理，确定辐射源的参数、信号体制和变化规律，为指挥人员提评估电子态势和实施电子作战行动提供参考；电子支援侦察是运用各种电子设备截获感兴趣的电子信号，实时确定辐射源的信号特征、参数等，为实施电子进攻、电子防御和兵力机动等提供实时情报信息。

（3）电子防护

电子防护是保证己方电子设备有效地利用电磁频谱的行动，以保障己方作战指挥和武器运用不受敌方电子攻击活动的影响。包含电子抗干扰、电磁加固、频率分配、信号保密、反隐身及其他电子防护技术和方法。

电子战关键技术

电子战系统发展的最高目标是多平台综合，它代表了电子战技术和装备发展的主流趋势。多平台电子战作战指挥控制系统（EWCS）根据侦察平台情报、卫星情报、雷达/通信传感器情报等各种数据库的支援，对威胁目标进行检测、识别、数据融合，分析评估，并采取正确的协同对抗策略，包含的关键技术如下：

（1）数据融合技术

数据融合技术可对多种类、多信息源和多平台传感器所获取的信息自动检测、相关、评估分析，以便快捷、准确、连续、全面的提供战场态势信息。为适应现代战争环境需要，雷达、通信与电子战向一体化方向发展，将有源和无源传感器有机结合，以扩展在日趋复杂的电磁环境下获取信息的数量和质量，提高对威胁目标识别的可信度，为进攻和防御提供所需的精确信息。数据融合技术是实现雷达与电子战一体化的重要保障和核心技术。

（2）电磁兼容技术

各种电子战设备集中应用于一个作战平台或某地区，各电子设备的辐射信号将形成复杂的电磁环境，限制了设备的正常工作，系统部分功能降低或失效，而电磁兼容技术可有效解决这个问题。实现电磁兼容的途径主要有：一是降低各分系统的电磁辐射强度；二是合理配置各分系统的空间位置，确保彼此可以兼容工作；三是通过电磁兼容建模，消除影响。

（3）一体化和通用化技术

一体化技术是将功能相近、相互关联的数个设备组成一个系统，从而简化系统构成，实现资源共享，提高装备作战效能和快速反应能力。其主要内容是不同系统中功能相同的软硬件采用相同的模块，不同专业领域复用。通用化技术是指电子对抗系统的设备普遍采用标准化的模块结构，构建多种作战平台通用的弹性系统骨架，使不同的系统、设备之间尽可能拥有相同的电子模块，相互之间通用，根据不同的对抗对象快速组装成不同的电子对抗设备、降低成本、减小体积。

电子战发展分析

在21世纪的联合作战中，借助于先进的C4ISR系统，交战双方在兵力未接触的情况下，就可以从陆地、空中和海上发动以电子战为先导，以精确武器攻击为主要打击手段的袭击，电子战将拉开战争的序幕，研究电子战的发展趋势对于开展武器系统及战法研究工作、打赢未来高技术战争具有重要的指导意义。

（1）发展认知电子战系统

认知电子战可在对象和环境都发生巨大变化，同时通讯技术、网络技术、数字技术的发展催生了多设备协同工作的情况下，仍能适应作战需求，提高武器作战能力和生存能力的电子战系统。

（2）发展一体化综合电子战系统

综合电子战是集电子侦察、电子防卫、电子进攻于一体的攻防兼备的新型作战手段，采用多平台、多传感器的信息融合和资源共享，可实现战场态势的实时感知和控制，是提高未来信息化战场上武器装备体系综合作战能力，实现节点打击、结构破坏的关键因素。

（3）发展分布式电子战系统

为对付多变的射频威胁环境，分布式系统应运而生，一系列小型低功率，部署在敌防空附系统近，分布式网络化的电子战系统，用于探测和干扰敌通信、雷达和防空系统。分布式干扰是一种面对面的干扰，即众多的、空间分布的干扰机群可以压制较大空域内的雷达、通信台或导航接收机，因此在未来的信息化战场上，分布式干扰是是对抗分布式雷达网等的有力措施。

（4）发展超导技术

采用超导技术和材料可制成微波无源和有源器件，这些器件具有特别高的工作频率、超宽带宽、极低噪声、极小功耗、小体积和重量轻等优势，所以非常适合电子战应用。超导技术用于电子战系统中可大大提高系统性能，提高接收机灵敏度，且可降低设备功耗体积和重量。

（5）发展和应用定向能武器

定向能武器的杀伤力远大于普通炸药的爆炸能，利用一个强激光武器，能在1-2min内对付上百个目标，高功率微波武器能烧毁敏感的传感器、电子器件、计算机芯片等，造成电子装备或系统的永久性损伤；粒子束武器能瞬间摧毁远距离的多批次、大量的高速飞行目标等。定向能武器是未来信息化战场上对付飞机、军舰、坦克、导弹乃至空间卫星等高价目标的重要武器系统，是未来战区反导、反舰导弹防御、防空系统的组成部分。

（6）设计遥控飞行器或无人驾驶电子战飞机

遥控飞行器具有机动灵活、不易被发现且不需要付出生命代价等优点，可深入敌方纵深执行电子侦察任务，诱使敌方重要电子设备开机，从而侦察到平时难以发现的敌方辐射源信息，或为有人机提供电子干扰掩护以较小的干扰功率取得较强的干扰效果。

电子战作战利器——电子战飞机

电子战飞机作为一种特种飞机主要遂行电子战，是专门对敌方雷达、电子制导系统和无线电通信等进行电子侦察、电子干扰甚至是攻击的武器。二战期间，伴随着电子雷达的出现，专门用于干扰对方防空雷达、电子设备、通信系统的电子战飞机就应运而生了。

海湾战争中,电子战飞机占作战飞机总数的10%以上，在空袭作战所出动的飞行架次中执行电子战任务的约占20%，电子战系统有效的保证了作战行动的有序进行，在38天约11万架次的空袭中，飞机的损失率降低到0.04%以下。多国部队在海湾战争中的胜利，实质上是电子战的胜利，雄辩地证明没有“制电磁权”能力就没有制空权。

电子战飞机是破解敌方防空体系的必备利器，作战中可显示出高效的“兵力倍增”效能，按作战功能可分为电子侦察机和电子干扰机两类。

（1）电子侦察机

电子侦察机是装有多频段、多功能、多用途电子侦察和监视设备，平时和战时不间断的对地面防空系统进行侦察的飞机。比如美国海军的EP-3E和空军的RC-135，都是长时间在侦察对象国境线外飞行以获取雷达、通信、测控等电磁信号，为飞行方队的司令官提供有关敌方军事力量战术态势的实时信息。通过对情报数据的分析，确定侦察区域的战术环境，并将相关信息尽快传送到上级领导机关，以便各级决策者可以针对关键性的进展情况做出决策。

EP-3E电子侦察机在机身前部安装了独特的“BigLook”天线，旋转接受器可以从360度获取飞机周围的电子信号，并配备AN/ALR-60型通讯侦察分析系统，以及AN/ALR-76自动雷达干扰系统，用于探测、跟踪、确认、分类以及定位雷达发射器并在必要的情况下向己方平台提供威胁预警。

电子侦察机既可以是专用型号，也可以利用普通战斗机、攻击机进行改装，加挂电子侦察吊舱后执行电子侦察任务。比如德国的“狂风”战斗机和法国的“幻影”一2000战斗机都可以挂载电子侦察吊舱，随其它飞机一同执行巡逻、训练等任务，对方很难判断它的任务属性，因此难以做到较全面的防范。

（2）电子干扰机

电子干扰机可以通过干扰敌方防空雷达情报网，干扰敌战斗机与地面指挥系统之间的联系，使之无法得到地面信息支援和指挥引导，使敌战斗机失去作战体系支撑，降低敌感知战场态势的能力，作战效能大幅下降。

电子干扰飞机既可以实施远距支援干扰又可实施随队干扰。其中远距支援干扰是多架干扰机编队，在中空距敌目标100～120公里的安全阵位上实施多方位、大纵深、宽正面的电子干扰；随队支援干扰是电子干扰飞机伴随攻击机群飞临敌目标区附近施放噪声干扰、欺骗干扰和箔条干扰，目的均为压制敌防空火力网的电子系统，掩护攻击机群实施空袭。

美军的EA-6B“徘徊者”电子战飞机是一种可以远距离、全天候的进行高级的电子干扰活动的双引擎舰载机，主要任务：

a）干扰对方的预警雷达、搜索警戒雷达，确保本方战斗机群不被对方侦测到具体位置及具机型、数量、编组等体情况；

b）干扰对方高射炮的炮瞄雷达或防空导弹的制导雷达，从而大大降低对方防空火力命中精度；

c）干扰、压制对方的通信系统，以使对方各种情报、命令等信息不能有效传递，通过瘫痪对方指挥体系去瓦解其防御能力；

d）使用反辐射导弹直接攻击对方的雷达，主要使用美国现役的空对地反辐射导弹：AGM-88“哈姆”反辐射导弹。

但是EA-6B电子战飞机在进入危险空域时必须由其他飞机为其提供保护，自卫能力差。为了提高电子战飞机的自卫能力，EA-6B退役后，美军在“超级大黄蜂”BlockII的基础上研制加装了可对敌方雷达进行探测、识别与定位的AN/ALQ-218(V)2接收机的“咆哮者”EA-18G电子战飞机。它能够利用反辐射导弹或AN/ALQ-99干扰吊舱来对敌方辐射源进行压制，还能探测并中断敌方通信系统，可以说是当今战斗力最强的电子干扰机，又是电子干扰能力最强的战斗机。

“咆哮者”EA-18G电子战飞机挂载的AN／ALQ-99干扰吊舱功率较大，可形成较宽的波束，掩护攻击编队行动，自带发电机可减小吊舱对飞机整体载荷的需求。但ALQ-99干扰吊舱所辐射的宽带能量也可能干扰自身的通信和数据链电台，因此需增加对消系统生成与干扰信号反相的对消信号，使干扰信号与对消信号近实时汇合从而相互抵消，留下要接收的话音信号，确保可以边干扰、边通信。

EA-18G“咆哮者”电子战飞机将完善我们当前和未来的空战能力，在提高电磁频谱态势感知能力方面具有重要作用，同时它还能削弱敌方在相同环境中的态势感知能力，拥有这种机载电子攻击保护能力后我们将更具杀伤力。

结 语

随着战场形势的日益复杂、武器装备和作战样式的多样化，发展与应用电子战以提高战场的监视-侦察能力、目标识别-捕获能力、精确打击能力、战场生存能力、干扰和抗干扰能力、目标毁伤评估能力、情报处理能力和作战决策能力是十分重要的。具有高度灵活性的电子战飞机可担负随队支援和远程支援干扰任务，在未来战争中的地位和作用也定会更加突出。

来源：电子万花筒

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