聚焦離子束（FIB）技術是一種將高能離子流聚焦成細束的儀器，可對樣品進行精密操作，尤其擅長對微觀結構進行高精度的切割、成像和修復。隨著FIB技術的進步，其應用范圍已從早期的半導體制備擴展到材料科學、納米加工以及高分辨率成像等領域。

傳統的FIB系統多基于鎵（Ga⁺）離子源，其強度較低且樣品污染性較高。近年來，基于氦（He⁺）和鋰（Li⁺）等輕元素的離子源技術相繼被開發，但仍然無法克服空間分辨率和樣品損害問題。銫（Cs⁺）和銣（Rb⁺）作為新的離子源材料，具有出色的性能。zeroK公司運用曾獲諾貝爾獎的激光冷卻技術，創新性地研發推出了基于極低溫銫離子源（Cs⁺ LoTIS）的新一代高性能聚焦離子束系統-FIB: ZERO（Cs⁺ LoTIS）。該技術溫度可達~10μK，可以有效減少離子束中的隨機運動，實現更好的聚焦精度、更穩定的束流特性、更好的低電壓表現以及更清晰的成像效果。基于上述優勢，FIB: ZERO正逐漸成為FIB領域的研究熱點。

新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統-FIB: ZERO

FIB: ZERO亮點展示

加工精度對比

左圖為Ga⁺離子源FIB系統對多晶銀樣品的切割效果（30kV，230pA），右圖為ZeroK Nanotech FIB: zero 對同一樣品進行切割效果（16kV，130pA）。

在硅上沉積的銅層進行矩形形狀的切割工藝，（層厚1150 nm，20μm*20μm，切削時間為20 min ），左中右分別為Ga+離子源FIB在30kV@2640pA，16kV@1440pA下進行切割和ZeroK Nanotech FIB: zero在16kV@1070pA下進行切割工藝的效果展示。

加工速度對比

在10 kV下，Cs⁺離子束磨削速度同30kV下的Ga⁺離子束相當，比10kV下的Ne⁺離子束的磨削速度高90%。

加工損傷范圍對比

SRIM（The Stop and Range of Ions in Matter）模擬離子束在加工硅的過程中對材料的影響范圍。圖從左右分別為Ne⁺ 10kV, Ga⁺ 30kV, Cs⁺ 10kV。從圖可以看出，Cs⁺離子源對被加工材料的損傷范圍小。

成像效果對比

左圖為Ga⁺離子源FIB系統對120 μm高的樣品成像結果，右圖為ZeroK Nanotech FIB：ZERO對同一樣品的成像結果。

FIB: ZERO案例展示

近日，來自埃因霍溫理工大學和萊茵蘭-普法爾茨技術大學的科研團隊借助新一代高精度極低溫銫離子源FIB系統-FIB: ZERO研究發現，該系統在掃描離子顯微鏡（SIM）成像中的表現顯著優于傳統技術。研究顯示，與傳統的Ga⁺ FIB系統相比，Cs⁺離子束可提供更高的二次電子（SE）產率，極大地提高了成像的信噪比。此外，Cs⁺離子束在成像分辨率、材料對比度和表面靈敏度等方面優勢突出，能夠以較低的能量實現高亮度成像，從而顯著降低樣品損傷。上述特性使其特別適用于復雜納米結構的分析和高精度半導體加工，有望成為下一代納米技術和半導體行業的核心工具。

本文中的SIM實驗在凱澤斯勞滕大學的Cs⁺ FIB: ZERO上開展，Rb⁺/Ga⁺ FIB均在配置幾乎相同的儀器上進行測試。下圖展示了使用 Rb⁺ 和 Cs⁺ 離子束對不同樣品進行掃描離子顯微成像（SIM）的二次電子（SE）和二次離子（SI）模式的圖像。樣品包括金（Au）和部分覆蓋了FIB提升網格的鋁（Al）標準樣品。在SE 和 SI 模式下的圖像，揭示了兩種模式在材料對比度和表面結構細節展示上的差異。SI模式對樣品表面形貌變化（例如刻蝕區域）不太敏感，而在SE模式中，同一區域顯得更暗。這表明SI模式在材料對比度上的表現更佳，而SE模式更能凸顯樣品的表面特征。

下圖對Rb⁺（8.5 kV）、Cs⁺（2-16 kV）以及Ga⁺（8 kV和16 kV）在不同樣品上的二次電子（SE）產量進行了對照。樣品包括鋁（Al）、金（Au）、銀（Ag）等純元素。通過對比不同能量和不同離子源的SE產量，發現Rb⁺ 和 Cs⁺ 離子在提升成像信噪比方面的優勢。尤其是在鋁等樣品上，Cs⁺的SE產量尤為高，這表明使用Cs⁺成像時可以獲得更高的信噪比。

下圖展示了Rb⁺（8.5 kV）、Cs⁺（5-16 kV）和Ga⁺（8-16 kV）在不同元素（如鋁、銀、銅等）上的相對二次離子信號強度。通過比較不同離子源在不同元素上的相對SI信號強度，分析不同離子源在SI成像模式下的材料對比度表現。隨著樣品的原子序數（Z₂）的增加，Yrel（相對二次離子信號）逐漸升高，表明對于高Z₂樣品，Cs⁺和Ga⁺系統在SI模式下能夠產生更高的相對信號，且Cs⁺表現出較高的SI信號。

下圖(a)展示了基于擬合模型預測的Cs⁺、Rb⁺ 和Ga⁺的相對二次離子信號（Yrel）值，圖(b)展示了不同離子源在不同樣品上的BSI（回散離子）/SI（二次離子）比率變化。通過擬合模型，定量分析不同離子源在SI和BSI信號之間的貢獻變化，特別是隨著原子序數增加，信號如何發生變化。結果表明，Cs⁺的SI信號的貢獻要遠大于BSI，而Ga⁺和Rb⁺則表現出較高的BSI信號。這說明Cs⁺離子在材料分析中的表面靈敏度更強，適合二次離子成像。

綜上所述，基于Cs⁺離子源的FIB系統，在同其他離子源（包括Rb⁺和Ga⁺）對比中，相似的束能下可以誘導更多的SE，這使得FIB: ZERO在成像質量和信噪比方面具有絕對優勢。而相對SI成像信號Y_rel的結果顯示Cs⁺和Ga⁺的材料對比相似，使用簡單的線性模型擬合測得的Y_rel數據，預測在相似的離子束能量下，Cs⁺離子可以誘導比Rb⁺和Ga⁺更高的相對SI率。這些都表明，ZeroK（Cs⁺ FIB） 系統有望在材料科學、納米技術和半導體制造領域取得廣泛應用，尤其是具有高表面敏感性和微乎其微的樣品破壞性，使其在樣品制備和實時監控應用中具有明顯優勢。