“SEM-FIB技术是当今微纳加工和半导体集成电路制造业十分活跃的研究领域，不仅可以高分辨成像，还能实现微纳米结构的加工和制造，这都离不开电子束和离子束。因此，正确理解离子源和电子源的特点，是十分必要的。”
1.离子源
为了正确理解聚焦离子束FIB，需要考虑离子束的来源。在几乎所有的FIB系统中，一个储备重金属的原子库（通常是Ga）被加热到接近蒸发的温度，之后它会流动并浸润尖端半径为2-5毫米钨针。一旦被加热，由于Ga原子的超冷特性，可以保持液态数周而无需进一步加热。Ga原子然后流向钨针的末端，被一个与针尖同心并靠近针尖的环形电极所吸引，这个环形电极称为提取器。
针尖和孔径之间产生了约1010V/m的电位差电场，因此，针尖区域的高能离子加速向提取器移动。这些离子存在于一个区域中，在这个区域中，静电和表面张力之间的平衡将液体金属吸引到一个尖锐的 "泰勒锥"中，其顶端直径只有5纳米左右。锥体尖端足够小，因此提取电压可以将Ga从针尖处拉出来，并通过泰勒锥末端的场蒸发有效地将其Ga电离，电离后的Ga离子被加速到离子柱中。
从这样的LMIS系统中提取的Ga离子电流密度是108A/cm2，蒸发的离子不断被流向锥体的液体Ga所取代。离子源通常在1-3毫安的低发射电流下运行，以减少离子束的能量扩散并产生稳定的离子束。在较高的发射电流下，形成二聚体、三聚体和液滴的概率增加，这既增加了能量扩散，又减少了源的寿命。
钨针的尖端位于提取器的正上方，提取器相对于离子源的电压为-6kV，强电场将液体Ga吸引到泰勒锥中，并在末端形成一个微小尖顶（称为"初始喷射"）。在电场蒸发导致离子发射发生后，离子开始沿着柱子加速。从尖端发射的电流被称为提取电流，它由抑制器和提取器调节，大致对应于发射离子束分布的"细"和"粗"控制。
抑制器使用高达+2kV的外加电场，与提取器一起工作，保持恒定的束流。这对于控制铣削操作中的蚀刻率尤为重要。调整抑制器的电压将改变提取电流，这意味着可以在不改变提取器电压的情况下对提取电流进行调节。这是首选的调整方法，因为改变提取器的电压会导致泰勒锥的空间位移和样品表面的明显离子束漂移。这种不稳定性与LMIS具有高度非线性的电流-电压关系这一事实，相呼应。
调整抑制器对于抵消LMIS中出现的提取电流的逐渐向下漂移也非常有用，因为周围的电场会使电子与真空中的污染物发生碰撞，并将它们'固定'在离子源的位置。因此，抑制器在不改变离子源的情况下保持恒定的提取电压的能力，是FIB系统稳定性的一个基本要求。
场蒸发LMIS中离子产生的物理过程，这是一种复杂现象。然而，从根本上讲，当防止蒸发的势垒因场的存在而降低时，场蒸发就会发生，该势垒只能由通过场发射表面蒸发原子的电离来越过。
2.电子源
为了比较，我们可以考虑电子光学柱中的电子源。在最常见的配置中，钨灯丝被大电流加热，使其发射出一些松散电子的辐射光谱，这些电子获得了足够的能量来克服金属的功函数而逃逸。然后，这些电子被一组由大型线圈产生的静电场加速离开灯头，并通过电子源下方的孔径，还原成相对纯净的电子束。灯丝本身形成一个尖锐的点，因为这种形状会使电荷在尖端聚集，从而使源的输出电流更大。
电子枪的基本原理是将电子的能量提高到阴极材料的费米能级以上。在一个标准的热发射枪中，发射区的电子能量通过阴极的热量和阳极的电势来提高，从而产生电流密度Jc，该过程遵循理查德森定律：
其中 A是一个与阴极材料有关的常数。Tc是发射尖端的温度，фw是阴极的功函数（与费米能级有关），以及k是玻尔兹曼常数。钨灯丝通常也被锆化（ZrOX），以通过肖特基效应来增加电子的热发射，由于外部的静电场，在灯丝的尖端存在一个电子加速场。涂有氧化锆层的钨针表现出较低的功函数（2.5eV），在大约1600K的温度下能提供足够的电子发射，在2500-3000K的温度下则不能。
从左往右，分别是常规钨灯丝，六硼化镧灯丝，肖特基热场灯丝，冷场灯丝另外两类电子枪也值得一提。一种是稀土六硼化物，特别是六硼化镧（LaB6），在热离子电子发射方面的潜力是由J. M. Lafferty在1951年首次报道的。LaB6的功函数低于W（2.7 eV，W是4.5eV），再加上其在高温下的低蒸气压，使其成为电子显微镜（包括扫描和透射）的卓越热离子电子源。
LaB6晶体可以提供相当高的电流密度，而且LaB6具有更好的相干性和更小的能量扩散。20世纪70年代和80年代的研究遵循Lafferty的工作，试图优化该类材料的性能。这种电子源的缺点主要是对于纳米级的电子探针来说，它的能量分布相对较大，电子束强度较低。
冷场发射枪（CFEGs）是SEM电子源的另一个最新发展。与热离子枪不同，它们在相对较低的温度（约300K）下工作，并提供卓越的分辨率性能。FEGs的操作比较简单，它们使用一对位于钨尖下方的阳极来产生强电场，通过使电子从极其尖锐的尖端隧道中提取电子。由于尖端尺寸小，工作温度低，电子束具有高度的空间连贯性，几乎没有能量扩散，这限制了色差的不良影响；其电流密度也非常高，弱点是它们只能在在超高真空下（10-8Pa），成本昂贵。
3.离子源与电子源的限制
实际上，离子和电子源都受到一定的限制。首先，离开提取孔径的粒子束中，总电流只是源产生的电流的一小部分；产生的大部分粒子被光阑孔径的两侧挡住了，因为它们的速度矢量不是沿着粒子束的方向。这意味着产生的粒子束的"亮度"取决于孔径大小和源电流。更大的孔径意味着更明亮的粒子束，具有更好的成像和铣削特性，然而，该粒子束可能不像通过小孔径的粒子束那样均匀或精确聚焦。
较高的源电流意味着产生更多的带电粒子，所以为了明显提高粒子束亮度，需要大幅度增加电流。增加的电流会导致源的不稳定，并降低源元件的寿命。
第二个限制是均匀性的问题。虽然从肖特基热场电子枪中发射的电子的能量分布相对均匀，但上述液体金属离子源（LMIS）发射的离子往往遵循高斯能量分布，有时是不对称的，这导致了色差。从液体中蒸发的离子所需的能量取决于每个原子周围区域的局部温度、场强和表面张力，这在发射区域内会因点而异。
离子发射电流在很大程度上取决于尖端半径和尖端表面条件。尖端越锋利，场就越高；而场越高，离子发射就越强。然而，在高发射和具有毛细管特性的液体流速下，粒子间的排斥效应需要得到平衡，以保持稳定、一致的离子束发射。电子发射由所用金属的功函数和电子源的场强决定，电子一旦达到明确的临界能量就会逸出。
两种信号来源都经历了一个额外的能量扩散程度，这是由于刚刚电荷之间的相互排斥造成的。离子和电子的同类电荷相互排斥，产生了一个很小但很重要的随机速度，改变了整体的能量分布，导致进一步的色差，限制了系统的聚焦能力。发射特性的变化可以在一定程度上得到控制，但在达到控制的极限之前，它就被这些相互排斥的带电粒子产生的像差所掩盖了。
参考资料
1. J. Orloff, M. Utlaut and L. Swanson. High Resolution Focused Ion Beams: FIB and its Applications, (New York: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003),pp. 147–52.
2. J. M. Lafferty. J. Appl. Phys., 22 (1951), 299–309.
3.M. Futamoto, M. Nakazawa and U. Kawabe. Sur. Sci. 100 (1980), 470–80.
4.D. B. Williams and C. B. Carter. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science, (New York: Plenum Press, 1996), 76–7.
5. H. Arimoto, T. Morita, E. Miyauchi and H. Hashimoto. Jpn. J. Appl. Phys. 25 (1986), L507–9.
来源于老千和他的朋友们，作者
赵工
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