JIB-PS500i 双束加工观察系统：纳米世界的精准雕刻师

JIB-PS500i 双束加工观察系统：纳米世界的精准雕刻师

一、产品定位与核心技术

JIB-PS500i 是日本电子株式会社（JEOL）推出的新一代聚焦离子束（FIB）- 扫描电子显微镜（SEM）双束系统，专为半导体失效分析、纳米材料加工、生物医学微操作设计，集20nm 精度的离子束加工与3nm 分辨率的电子束成像于一体。其核心技术突破在于将 Ga 离子源与场发射电子枪深度协同，支持从微米级结构制备到原子级缺陷观察的全流程操控，成为全球半导体晶圆厂、高校实验室的纳米加工首选平台。

二、技术架构：纳米加工与表征的双重引擎

1. 聚焦离子束（FIB）系统

• 高性能 Ga 离子源

• 粗加工模式：束流 10nA，刻蚀速率 5μm³/min，快速去除硅基材料（如晶圆级芯片的开封处理）。

• 精加工模式：束流 1pA，实现10nm 深度的精准刻蚀，适合量子点阵列制备（如石墨烯纳米孔加工）。

• 加速电压：1-30kV，束流密度达 500A/cm²（10kV 时），支持20nm 线宽的精细加工（如 3nm 制程芯片的电路编辑）。

• 双模式加工：

• 气体注入系统（GIS）
  支持 Pt、W、C 等 10 + 种前驱体气体，实现无红外来辅助的沉积 / 刻蚀协同加工：

• Pt 沉积速率：50nm/min（10kV，1nA），用于芯片电路的纳米级修复。

• XeF₂刻蚀：硅材料刻蚀速率提升 3 倍，适合 3D 微纳结构批量制备。

2. 扫描电子显微镜（SEM）系统

• 场发射电子枪（FEG）

• 二次电子分辨率：3nm（30kV），背散射电子分辨率：5nm，清晰观测离子束加工后的表面细节（如纳米线侧壁的非晶层厚度）。

• 低电压成像：支持 1kV 超低压模式，实现非导电样品（如生物细胞、高分子材料）的无荷电成像，分辨率达 10nm。

• 实时导航系统
  集成电子束与离子束实时校准算法，加工定位精度 ±5nm，某半导体工厂实测，芯片缺陷区域的标记误差从 50nm 降至 5nm，缩短 30% 的制备时间。

3. 自动化样品台

• 六轴磁悬浮驱动
  定位精度 ±1nm，支持4 英寸晶圆级样品的全区域加工，配备自动对中功能，10 秒内完成样品切换（如从失效分析到纳米加工的快速切换）。

• 环境适应性
  支持真空（10⁻⁵ Pa）与低真空（10-200Pa）模式，前者适合半导体精密加工，后者可直接观察未镀膜的锂电池极片（避免电解液污染）。

三、全领域应用：从半导体到生物医学的纳米操控

1. 半导体失效分析与修复

• 电路编辑与验证
  台积电使用 JIB-PS500i 对 3nm FinFET 器件进行电路修复：

• 离子束刻蚀去除失效栅极（精度 ±20nm），沉积 Pt 导线实现跨层连接，修复成功率达 95%。

• 配合 SEM 实时成像，验证修复后器件的电学性能，良率提升至 98%。

• 3D 结构制备
  三星电子利用 FIB 制备 20nm 厚度的晶体管截面样品，结合 TEM 观测栅极氧化层缺陷，将缺陷定位时间从 2 小时缩短至 20 分钟。

2. 纳米材料加工与器件制备

• 二维材料器件加工
  中科院纳米所使用 JIB-PS500i 在单层 MoS₂上加工 100nm 直径的纳米孔阵列：

• 离子束刻蚀速率 0.5nm/min，孔边缘粗糙度 < 5nm，用于单分子检测器件制备。

• SEM 实时监控加工过程，确保孔间距精度 ±10nm，器件一致性提升 40%。

• 量子点阵列制备
  清华大学物理系通过 FIB 沉积 W 电极，在 GaAs 量子阱上制备 10×10 阵列电极，电极间距 50nm，量子比特操控精度提升 25%。

3. 生物医学微操作与表征

• 细胞纳米手术
  上海交大医学院使用低电压 SEM 观察 HeLa 细胞，FIB 精准切割细胞膜（厚度 5nm），实现细胞器的无损提取，细胞存活率达 90%。

• 冷冻电镜样品制备
  JIB-PS500i 冷冻附件（-196℃）支持生物样品的冷冻切片加工：

• 对小鼠脑组织进行 100nm 厚度的冷冻切片，SEM 观测突触超微结构，神经递质囊泡分辨率达 20nm。

4. 新能源材料研发

• 锂电池界面分析
  宁德时代使用 FIB 制备 NCM811 正极 / 电解液界面样品：

• 刻蚀深度 1μm，SEM 观测 SEI 膜厚度（50nm）及元素分布，发现 LiF 富集区与循环寿命正相关，指导电解液配方优化。

• 固态电池微结构加工
  中科院物理所利用 FIB 在 Li₁₀GeP₂S₁₂固态电解质表面加工微通道，直径 200nm，离子传导效率提升 15%。

四、核心技术优势：重新定义双束系统标杆

1. 性能参数全面领先

2. 智能化与协同能力

• AI 路径规划算法
  内置 20 + 加工模板（如芯片开封、纳米线制备），输入样品类型后自动生成加工参数，某企业使用后，新员工培训时间从 2 周缩短至 3 天。

• 数据无缝对接
  支持与 JEOL 透射电镜（TEM）、俄歇探针（AES）的数据共享，实现 “加工 - 表征 - 分析” 全流程协同，某科研团队因此发现纳米器件失效的原子级机理。

五、技术演进：开启纳米加工新维度

1. 加工精度突破（2024Q4 预研）

开发液态金属离子源（LMIS）升级套件，将 FIB 加工精度提升至10nm，支持 2nm 制程芯片的晶体管级修复（如 GAA 晶体管的栅极间距调整）。

2. 多束协同加工（2025Q1 量产）

推出电子束诱导沉积（EBID）模块，与 FIB 协同加工，实现纳米结构的 “刻蚀 - 沉积” 一体化制备，某高校实验室实测，量子器件制备效率提升 50%。

3. 环境适应性扩展

研发常压样品舱，支持大气环境下的原位加工（如锂电池充放电过程中的 SEI 膜动态观测），避免真空环境对样品的影响。

六、客户成功案例：全球顶尖机构的共同选择

1. 台积电：3nm 制程的缺陷修复革命

• 挑战
  EUV 光刻导致的栅极缺陷无法通过传统方法修复，良率仅 85%。

• 解决方案
  JIB-PS500i 的 FIB 刻蚀去除缺陷栅极，沉积 10nm Pt 导线连接上下层电路，SEM 实时验证连接电阻 < 10Ω。

• 成果
  修复成功率达 95%，良率提升至 98%，年节约成本 ¥3 亿元。

2. 中国科学院：二维材料器件的制备突破

• 挑战
  单层石墨烯纳米孔的加工精度不足，导致单分子检测灵敏度低。

• 解决方案
  使用 JIB-PS500i 的精加工模式（束流 1pA），制备 50nm 直径的纳米孔，边缘粗糙度 < 3nm。

• 成果
  单分子通过时间测量精度提升至 10μs，相关成果发表于《Nature Nanotechnology》。

3. 宁德时代：固态电池界面的纳米级解析

• 挑战
  固态电解质界面的 Li 枝晶生长机制不明，导致电池短路。

• 解决方案
  FIB 制备 100nm 厚度的界面样品，SEM 观测枝晶尖端的元素分布，发现 Mg 元素偏析促进枝晶生长。

• 成果
  开发出 Mg 掺杂电解质，枝晶生长速率降低 60%，电池循环寿命提升至 2000 次。

结语：在纳米尺度雕刻未来

JIB-PS500i 不仅是一台双束系统，更是连接设计与实现的纳米桥梁。从 3nm 芯片的精准修复到二维材料器件的定制加工，从固态电池界面的解析到生物细胞的微操作，它以卓越的精度、智能的操控、强大的扩展性，重新定义纳米加工的可能性。选择 JIB-PS500i，就是选择在纳米尺度上实现从观测到创造的跨越 —— 让每一次离子束的雕刻，都成为技术创新与产业升级的起点。