聚焦離子束 / 掃描電子顯微鏡

Focused Ion Beam / Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM)

元析科技 AtomSolve Technology Corporation

SEM 工作原理（Scanning Electron Microscope）

SEM 是利用電子束掃描樣品表面來形成影像的顯微技術。

基本架構

  • 電子槍（electron gun）：產生高能電子，通常 0.5–30 keV
  • 電磁透鏡（electromagnetic lenses）：聚焦電子束
  • 掃描線圈（scan coils）：控制電子束逐點掃描樣品
  • 偵測器（detectors）：收集訊號形成影像
SEM 基本架構示意圖
圖 1　SEM 基本架構示意圖

成像原理

當電子束掃描樣品表面時，會產生多種訊號：

  • 二次電子（Secondary Electrons, SE）：提供表面形貌（topography）資訊
  • 背散射電子（Backscattered Electrons, BSE）：提供原子序對比（Z-contrast）
  • 特徵 X-ray（EDS）：用於元素分析

SEM 影像本質是：「電子–物質交互作用訊號強度 vs 掃描位置」的對應關係。

電子束與物質交互作用（Electron-beam Interaction）

當高能電子進入材料後，會發生一系列散射與能量損失：

彈性散射（Elastic Scattering）

  • 與原子核作用
  • 改變方向但能量幾乎不變
  • 形成 BSE（背散射電子）
  • 高 Z 元素 → 散射更強 → 影像更亮

非彈性散射（Inelastic Scattering）

電子將能量轉移給樣品電子系統，產生：

  • 二次電子 SE：低能電子（<50 eV），來源為表面幾 nm，用於表面形貌成像
  • X-ray（EDS）：內層電子被擊出 → 外層填裝 → 放出特徵 X-ray，用於元素分析
  • Auger 電子：用於表面成分分析（AES）
電子束與物質交互作用體積
圖 2　電子在材料中形成的梨形作用體積（interaction volume）示意圖

電子在材料中形成「梨形作用體積」：加速電壓越高，penetration 越深；原子序越高，interaction volume 越小。

FIB 工作原理（Focused Ion Beam）

FIB 通常使用 Ga⁺（鎵離子）離子源，其基本結構包含液態金屬離子源（LMIS, Liquid Metal Ion Source）、離子加速系統（5–30 keV 常見）、靜電透鏡聚焦離子束，以及掃描系統（與 SEM 類似）。

FIB 裝置示意圖
圖 3　FIB 裝置示意圖

SEM 與 FIB 的比較

項目 SEM FIB
粒子 電子 離子（Ga⁺）
作用 非破壞性成像 材料移除（sputtering）
主要用途 imaging milling / cutting

FIB 作用機制

1. Sputtering（濺射）

Ga⁺ 離子撞擊表面，將動量傳遞給樣品原子，擊出原子形成材料去除（etching）。

2. Deposition（沉積）

在導入 precursor gas（如 Pt、C）時，離子分解氣體，局部沉積金屬。

3. Damage Effect

  • Amorphization（非晶化）
  • Ga implantation（鎵植入）
  • Heating / redeposition

FIB 用於 TEM / APT 樣品製備

FIB-SEM 最重要的應用之一：奈米尺度樣品製備。

A. TEM 試片製備（TEM Sample Preparation）

TEM 需要樣品厚度通常 < 100 nm，甚至 < 50 nm。FIB lift-out 流程如下：

  • Step 1 — 定位 ROI：在 SEM 模式尋找目標結構（device、defect、interface）
  • Step 2 — 保護層沉積：Pt 或 C deposition，防止 ion beam damage
  • Step 3 — 粗銑（milling）：用高電流 Ga⁺ 切出 lamella（試片）
  • Step 4 — Lift-out：使用 micromanipulator（奈米探針）將試片取出
  • Step 5 — 貼到 TEM grid：weld + attachment
  • Step 6 — Thin down（精修）：低電流 polishing（幾十 pA），減少 damage layer

TEM 試片的特點：可做 cross-section 或 plan-view，並可精準選取特定位置（site-specific）。

B. APT 試片製備（Atom Probe Tomography）

APT 需要尖銳的 needle tip，尖端半徑 < 100 nm。FIB 製作 APT tip 的流程：

  • Step 1 — Lift-out：取出小塊材料
  • Step 2 — Mount on post：放置於 Si micro-post 或 W tip 上
  • Step 3 — Annular milling（環形研磨）：FIB 逐層切削，形成 needle shape，apex radius 逐漸縮小
  • Step 4 — Final polish：low kV cleaning（如 2–5 keV），去除 Ga damage layer
FIB 製備 APT needle tip
圖 4　FIB 製備 APT needle tip 流程示意圖

APT tip 要求：半徑 20–100 nm、表面乾淨（low contamination）、minimal Ga implantation。

總結

  • SEM：用電子「看」材料
  • FIB：用離子「雕刻」材料
  • FIB-SEM：結合 imaging + nanofabrication
  • TEM / APT sample prep：FIB 是核心的高價值應用