高能同步FIB-SEM动态融合模型：实现导电与绝缘材料可控高精度纳米加工的新突破

针对FIB-SEM同步系统中离子束库仑力扩散与样品电荷积累导致的加工精度问题，研究人员开发了动态离子-电子中和器（SIEN）模型，通过GPU加速算法解析三维束流密度分布。实验表明，该模型使硅材料加工精度提升17%（30 pA FIB+5 keV EB），PMMA提升30%（80 pA FIB+3 keV EB），为半导体、新能源等领域的纳米加工提供新范式。

　　

在微纳制造领域，聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）与扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）的同步系统被誉为“纳米手术刀”，但离子束的库仑斥力导致束流扩散，样品表面电荷积累更会扭曲加工形貌。传统研究或忽略电子束（Electron Beam, EB）对离子束的调控作用，或简化束流为二维高斯分布，难以满足半导体、生物样本等导电/绝缘材料的精密加工需求。北京某研究团队在《Vacuum》发表的论文，首次提出动态FIB-SEM融合模型，通过GPU加速的多粒子动力学算法，破解了高能同步束流精准控制的难题。

研究采用三大关键技术：1）基于Munro电子束软件的IMAGE模块求解三维FIB/SEM束流密度分布；2）自主开发同步离子-电子中和器（Synchronous Ion and Electron Neutralizer, SIEN）模拟EB中和效应；3）结合TRIM程序与实验验证，在30 kV镓离子FIB系统中测试硅和PMMA的溅射性能。

3D束流密度分布
通过求解N体运动方程，团队发现离子光学系统中 condenser lens（聚光镜）和 objective lens（物镜）的场分布显著影响束斑尺寸。模拟显示，30 pA FIB在5 keV EB辅助下，束流径向展宽减少12%，为后续精准加工奠定基础。

动态融合模型性能
实验数据与模拟高度吻合：硅表面纳米沟槽宽度在30 pA FIB+1.6 nA EB条件下缩小17%，PMMA在80 pA FIB+170 pA EB时精度提升30%。EB通过中和Ga⁺离子电荷，抑制了库仑斥力导致的束流发散，同时调节样品表面电势，避免绝缘材料电荷堆积。

结论与意义
该研究首次量化了EB能量（3-5 keV）与电流（170 pA-1.6 nA）对FIB加工的调控规律，证实动态融合模型可同步优化导电（Si）与绝缘材料（PMMA）的加工质量。其开发的SIEN算法为复杂工况下的束流调控提供通用框架，推动TEM样品制备、集成电路修复等领域的工艺革新。正如通讯作者Wenping Li强调，这一突破“实现了微纳制造从经验试错到理论预测的跨越”。