摘要：聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）是一种将聚焦离子束（FIB）与扫描电子显微镜（SEM）技术完美结合的综合性工具，具有高分辨率的成像能力和精确的微加工能力，成为现代科学研究与工业应用中的关键设备。

失效分析 赵工 半导体工程师 2024年12月06日 09:48 北京

聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）是一种将聚焦离子束（FIB）与扫描电子显微镜（SEM）技术完美结合的综合性工具，具有高分辨率的成像能力和精确的微加工能力，成为现代科学研究与工业应用中的关键设备。

其在材料科学、电子工业、生命科学以及纳米技术领域的广泛应用，充分体现了其在显微成像和微观加工上的优势。FIB-SEM双束系统结合了聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）的功能，使得在微加工过程中，SEM能够实时监控FIB的操作，实现了高分辨率电子束成像与精细离子束加工的完美结合。

FIB-SEM

工作原理

FIB-SEM系统通过两种互补的技术实现了材料的成像与加工：

FIB技术通过电透镜将液态金属离子源产生的离子束加速并聚焦作用于样品表面，实现材料nm级的铣削、沉积、注入和成像。

SEM通过电子枪发射电子束，经电磁透镜加速和聚焦，与样品相互作用产生多种信号（如二次电子和背散射电子）。这些信号揭示了样品的物理和化学特性，如形貌、成分和晶体结构。

FIB-SEM的协同工作使其具备了“观察-加工-分析”的全链条能力。

FIB-SEM

主要应用领域

截面分析

PART 01

截面分析是FIB-SEM的典型应用之一，通过在样品表面挖出一个垂直于表面的截面，可以详细研究样品的内部结构。这种技术广泛用于分析多层结构的厚度、夹角和组成成分。

例如，在半导体制造中，FIB-SEM被用于检测光刻胶层的厚度和均匀性（如下图所示），同时通过附带的能量色散X射线光谱（EDS）系统进行元素成分分析。随着集成电路从中小规模向大规模、超大规模甚至系统级芯片发展，失效分析对技术精度的要求日益提高，而FIB-SEM能够满足纳米级别的分析需求。

光刻胶截面示意图

FIB- TEM样品制备

PART 02

透射电子显微镜（TEM）是一种能够观察材料微观结构的高分辨率工具，但对样品厚度要求极高，通常在100纳米以下。然而，绝大多数固体样品无法直接满足TEM的要求，这时就需要借助FIB-SEM的精准加工能力来制备超薄样品。

典型步骤

1、在样品的关键区域进行保护性涂层沉积，避免制样过程中由高能离子束引起的表面损伤。

2、使用FIB技术对样品进行初步铣削。

3、通过精细铣削将样品厚度进一步降低至TEM可用的标准。

下图所示是磷酸铁锂正极材料经过FIB制备后的SEM图片，通过TEM表征对其内部进行微观结构分析。

粉末磷酸铁锂FIB-TEM制样图片

以及局部高分辨TEM图片

关

来源：甬微技术服务平台

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