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电子显微表征是材料结构表征中一种十分重要的手段，随着表征要求的提高和扩展，电子显微技术也在不断发展。氦离子显微镜（HIM）就是一种新型的表征手段，首台商用HIM是ZEISS旗下ALIS公司设计制造的。HIM相对于一般的场发射电子显微镜（FE-SEM）在成像上有更高的分辨率，同时其在微纳加工上相比传统Ga离子源FIB也有更精细的加工尺寸和更小的加工损伤。蔡司的ORIONNanofab多离子束显微镜是第一台结合HIM、氖离子显微镜和FIB的显微镜，下面我们一起来了解下HIM技术和ORIONNanofab显微镜。
1.氦离子显微镜的原理
图1.氦离子显微镜示意图HIM的组成部分与SEM类似，放置在底部的样品，用于使束流聚焦的终端透镜，对样品表面进行束流扫描的系统，狭缝以及使束流向下沿镜筒通过狭缝的束流对准平台，发射氦离子的离子源，其构造图如图1所示。氦离子源属于气相离子源，其主要工作原理是位于超高真空环境下，低温冷冻的超尖锐钨探针对周围环境中的氦气产生作用，使其电离。氦离子源的针尖设计的及其锐利，如图1插图所示，钨针尖被加工成三原子聚合物的结构。
2.HIM相对于SEM的优势
SEM分辨率很大程度由产生信号的电子束同样品的作用范围决定，作用范围的大小受束斑直径以及电子束在样品内作用深度和横向直径决定。另外在样品表面下方电子束会被散射，产生高能背散射电子，收集的二次电子不仅来自原始电子束的入射处（SE1），还有来自背散射电子逸出样品的所有其他位置（SE2）。SE2携带着样品表面下方较深区域的非局部信息，往往会使得SEM图像较为模糊。
图2.不同电压下氦离子和电子的波长氦离子的德布罗意波长比电子小很多（如图2所示），HIM束斑~3，离子源亮度~1.4×A/cm2·sr，比普通的肖特其场发射电子源强30倍。所以氦离子显微镜（HIM）相比SEM有高亮度，低能量分布，亚纳米尺寸束斑（最高可达0.25nm）等优势。
图3.HIM和SEM成像对比束斑与样品作用范围的大小与样品材料本身以及束斑有关，在相同的电压下，HIM的作用范围比SEM小，如图3所示，20kV下HIM的二次电子像和0.5kV下SEM的二次电子像效果相近，是因为此时二次电子的逸出深度相近。在HIM中作用范围更小，分辨率越高，同时还能抑制背散射电子和背散射电子产生的二次电子（SE2），从而进一步提高图像的质量。
3.HIM与FIB结合，蔡司三束显微镜
HIM除了进行图像表征外，还可以实现微纳加工。Ga离子源适用于快速大面积移除物质，但是Ga离子束切割的精度在30nm下无法精确控制，且Ga离子通常会在样品内部引入额外的应力；而相比较而言He/Ne离子束可以在亚10nm的尺寸下进行精密加工，He离子质量大概是Ga离子质量的1/20，再结合其小于0.5nm的束斑尺寸，因此He离子束可以加工尺寸小于5nm的结构，同时He是惰性气体，避免了金属元素注入的问题。
根据Ga离子、He/Ne离子加工的各自不同的特点，蔡司公司将其汇聚在同一个设备当中，其生产的OrionNanofab三离子束显微镜是第一个覆盖纳米尺度和微米尺度的离子束显微镜，既可以利用Ga离子束实现大面积的快速加工，又可以利用He/Ne离子束实现亚10nm尺寸的精细加工。以下是蔡司ORIONNanofab的主要参数：
图4.蔡司ORIONNanofab多离子束显微镜好了今天的分享内容就介绍到这里。
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