三束系统（Laser-PFIB）——高真空下飞秒激光与材料的“透明对话”

在材料加工与表征领域，三束系统指的是集成在同一高真空腔体内的三套独立束源系统（如图1所示）：

负责超快能量注入，实现“冷加工”；

负责高精度材料移除、沉积和切片；

负责实时、高分辨率的原位成像。三者共享同一个高真空环境（通常优于 5×10^－6Torr），通过软件控制实现时序切换甚至协同工作。这不仅是设备的叠加，更是实验范式的革新。

在单束系统（纯飞秒激光加工）中，抽真空是为了“排除干扰”——除去等离子体屏蔽和氧化反应。但在三束系统中，高真空不再是可选项，而是必选项。原因主要是：

PFIB产生的离子（如Xe⁺、Ar⁺、O⁺等）在大气环境下会与气体分子发生剧烈碰撞，不仅严重散射导致束斑发散（分辨率从纳米级劣化至微米级），还会大幅降低离子束流强度。PFIB的有效工作压力必须优于10^-5Torr。

SEM成像依靠收集二次电子或背散射电子。如果真空度不够，残余气体会被电子束电离，产生荷电效应和图像漂移，让实时观察变成模糊的“雾里看花”。

如我们在前面所述，高真空确保了飞秒激光不受等离子体羽流干扰，能量直达靶面。

在三束都在高真空环境的前提下，通过结构设计，让离子束，电子束和激光束三束共焦，以达到最佳的协同作用。借助这样的架构，我们可以在不同镜筒间切换的同时，确保精准的位置切割。还可以借助实现边切边看，实现三维的SEM，EDS，EBSD等图像。另外通过软件上的集成，我们还可以基于三束开发更多的自动化流程以满足失效分析的应用。

飞秒激光加工的超短脉冲特性，可实现材料的非热熔性去除，是典型的超快激光冷加工工艺，单飞秒激光与材料的相互作用，从来不是一件“干净”的事。当一束飞秒脉冲聚焦到材料表面，极短的时间内（< 10^-13s），能量被电子吸收、传递、转化，最终以烧蚀、相变、等离子体喷发等形式表现出来。但长期以来，绝大多数实验都在大气环境中进行——空气的存在像一个“滤镜”，扭曲了我们对这一物理过程的本征认知。高真空环境的作用，本质上就是摘掉这个滤镜。当背景气压从大气压（10⁵ Pa）降至高真空（< 10^-4Pa，甚至 10^-6Pa量级），空气分子被抽走，等离子体羽流的膨胀不再受约束，热扩散路径被改写，材料表面失去氧化层的“保护壳”，甚至连电子逃逸后的静电演化都发生了根本性改变。换句话说：只有在高真空中，飞秒激光与材料的相互作用才展现出它最真实的物理面目。

气体分子密度极低（约 10¹²cm^-3，仅为大气环境的万亿分之一），激光传输路径上的逆轫致吸收可忽略不计，所有激光能量直达靶面。

烧蚀产生的等离子体羽流在真空中自由膨胀，无背景气体的约束和冷却效应，其动力学行为（膨胀速度、角度分布、粒子能量）反映了材料本身的性质，而非与空气作用的混合结果。

无氧环境杜绝了高温氧化反应，烧蚀产物的化学态保留了材料本征信息，特别适合表面分析手段的原位表征。

图2为一个三束并用的大尺寸截面表征案例。这是个封装后的3D NAND样品，我们想对3D NAND的通道孔的尺寸进行量测，他的位置大概在深度700 um左右。我们首先用Laser进行了斜切，切割后的截面尺寸各个方向都在1mm左右，大概用了8分钟。然后我们切换到PFIB，对截面上的目标区域进行精修，修至光滑平整后，我们通过SEM高分辨表征纳米级尺寸的通道孔形貌。“飞秒 laser快速加工出截面+PFIB精修截面+SEM高分辨表征目标结构”，三束并用的解决方案在保证高分辨截面表征的同时，极大提升了FIB截面加工的效率！

当前半导体器件和半导体封装都变得越来越复杂，器件变得越来越精密。随着封装技术的发展，我们可以把不同功能的芯片封装在一起，这些芯片可以是水平排布，甚至是垂直排布。因此在半导体失效分析（FA）中我们会经常遇到大面积切割的需求，这就需要我们有非常快的切割方式；另外由于芯片的精密性，切割精度的要求也变得越来越高。

高精度且高效的大面积切割能力，在封装，光电，显示，逻辑，存储，功率器件等都有着强劲的需求。多种失效分析挑战正推动着Laser-PFIB应用的增长!

主要参考文章：

1.  赛默飞公司

2. 飞秒激光与材料相互作用过程的超快动力学观测. (2019). 极端制造.

3. 飞秒激光在材料微加工中的应用. (2004). 量子电子学报, (2).

4. 飞秒激光在微加工领域的研究及其应用. (2013). 激光杂志, (4).