随着新型离子源技术的发展，聚焦离子束（FIBs）的用户可以获得比工业标准的Ga+液态金属离子源更好的性能。配备电感耦合等离子体（ICP）离子源的FIB能够更好地进行大体积切削应用，提供高达2μA的Xe+离子聚焦到5μm以下的点。但目前ICPFIB在1pA条件下成像分辨率局限于15nm。光环电离源（GFIS）依赖于只有单个原子大小的离子源，并通过其极小的源尺寸相应地获得高亮度。高亮度允许GFIS产生非常小的聚焦探针尺寸（He的尺寸小于0.35nm），但光束电流相对较小（小于2pA）。年，借助激光冷却技术，推向市场的新一代高精度低温铯离子（Cs+）源FIB系统，在1pA的条件下，预计焦点尺寸为亚纳米，最大电流可以达到为10nA以上，并有可能提供综合二次离子质谱分析能力。
液态金属离子源性能指标
聚焦离子束（FIB：Focusedionbeam）仪器服务于各种不同的加工应用，其能力在很大程度上取决于系统配置的离子源技术。离子源技术的特点是可用的离子种类、发射稳定性、在给定的聚焦探针内可以达到的束流以及聚焦探针的尺寸。后面两个特点主要取决于离子源的亮度降低（以Am-2sr-1V-1为单位）和能量扩散（以eV为单位）。作为借鉴与对比，应用最为普遍的FIB源——镓液态金属离子源（LMIS）具有以下特点：LMIS中可利用离子种类以镓为主，采用主动控制方案后，该离子源可在数天内保持相对稳定（这取决于使用情况）。Ga-LMIS的reducedbrightness参数通常被认为是Am-2sr-1V-1，能量扩散大约为5eV。传统上，当需要1pA的小电流时，镓FIB系统可以实现5nm或更小的聚焦探头尺寸。在探针尺寸为40纳米条件下，可实现1nA高电流聚焦光束。Ga-LMIS作为一种成熟技术已被人们所熟知，它在材料，生物等领域有多种成熟FIB或者Cryo-FIB用途。
稳定发射的条件：
1.发射表面具有一定的形状，从而形成一定的表面场
2.表面电场足以维持一定的发射电流与一定的液态金属流速
3.表面流速足可使发射电流所对应的物理流量损失得以保持，因而使发射面保持某种形态
4.最关键条件是液态金属与钨针尖具有良好的浸润性
离子源特点：
1.存在一个临界发射的阈值电压，此阈值电压取决于液态金属的种类、针尖半径和针尖锥度等因素，阈值一般在2KV以上。电压超过阈值电压后，发射电流增加很快。
2.空间发射角很大，多种液态金属离子源实测表明离子束发射自然角通常约为30°，且随发射离子增多，发射角增大，大发射角将减小离子流。
3.角电流密度分布较均匀。
4.离子能量分散大，液态金属离子源所发射离子能散通常约为15eV，且能散随发射电流增大而增大，能散增大将导致离子光学系统色差变大。
5.对液态金属离子源的质谱分析表明，在低束流时（10uA）,单电荷离子几乎占%,随着束流增加，多电荷离子、离子团以及带电液滴的比重增加，不利于聚焦离子束的应用。
感应耦合等离子体离子源（Inductivelycoupledplasmaionsource）工作原理
图1显示了电感耦合等离子体（ICP）离子源的横截面示意图。圆柱形的等离子体室外面包裹着一个螺线管天线，天线和等离子体室之间有一个法拉第屏蔽罩。无线电频率（RF：radiofrequency）电流通过天线，以便在等离子体的外壳产生一个方位感应磁场，使等离子体电子加速。RF大大低于等离子体的电子谐振频率（几千兆赫），但通常高于等离子体的离子谐振频率（几兆赫），这使得电子群在离子维持在室温附近的情况下受热。法拉第屏蔽有许多纵向切口，其目的是使屏蔽内涡流及功率损耗最小化，而用来结束天线上所存在电压引起的时变电场。因此，该布置使从天线到等离子体的电容耦合最小化，同时使感应功率耦合最大化。
感应场将等离子体外部"Skin"中的电子加速到足够的动能，以引起存储的气体电离。这种创造等离子体的过程可用于多种的等离子体气体，并且已经证明能够创造出高达1×cm-3(Xe+)的等离子体密度，从而使离子源的reducedbrightness（能量归一化亮度）为1×Am-2sr-1V-1。由于等离子体室中的老化效应可以忽略不计，源可以连续工作（只要气体供应保持不变），提供小于±0.5%h–1的束流稳定性，5eV(Xe+)，使用寿命超过两年。
ICP通常用于产生惰性气体离子，如:氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氙(Xe)。对于大体积的离子束加工，ICP产生的氙离子提供最高的溅射产量和最高的电流密度。
图2显示了最佳束斑尺寸与切削速度（um3/minute）的关系，比较了LMIS（Ga+）和ICP（Xe+）30keV聚焦光束在正常光束入射下对硅基材的溅射。当Ga+光束电流超过6nA（图2中为μm3/min）时，由于Ga-LMIS的角度强度（≈15μA/sr）相对较低，与ICP源（≈10mA/sr）相比，有效光束亮度（在目标处测量）骤然下降。
XeICPFIB提供更高的切削速度，目前的应用包括：
1.大面积的横截面，用于半导体设备的失效分析，如bondedwafer、throughsiliconvias(TSV)、solderballs和microelectromechanicalsystemsdevice。金属样品和地质材料的大面积横截面分析也是可行的。
2.各种微米至毫米级结构微机械加工例如带电粒子束孔隙、狭缝等。实际上，当激光和/或微放电加工行不通时，目前可广泛应用于加工。
3.事实证明，1-2μm光斑尺寸所能达到的高光束电流也有利于某些电路编辑应用（例如，隔离射频芯片上的表面天线和切割沟槽以切断下层面金属线），在这些应用中，需要去除相对大量的材料来编辑下层表面特征。当需要进行微米级的编辑时，XeICPFIB可以比低电流的Ga+FIB快得多，而且还有一个好处是不会在溅射坑的近表面产生Ga离子的注入。
图3描绘了列出的一个应用的示例（即TSV的故障分析）。该图显示了一排5×50μmTSV，其中部分填充了电沉积铜。在不到一小时的时间内，用1μA25keVXe+离子束从样品边缘铣削出××50μm3体积的硅。FIB从样品的下侧切削以避免部分填充的通孔被遮蔽。
表I：表明现今所用常用离子束类型减少亮度及能量扩散情况。确定辐射源亮度的关键等离子体参数是等离子体密度和热离子能量分布，根据公式（1），其中ni为等离子体离子密度，E⊥为平均热离子能量。
气场电离源(GFIS：Gasfieldionizationsource)工作原理
GFIS的基本原理很简单：足够强的电场能把一电子从中性气体原子上剥离成正离子。这一过程也就是场电离的量子力学解释是：电子受大电场作用隧穿中性原子。对氦原子而言，在44V/nm附近的电场强度下电离概率变得非常明显。这一巨大电场可在靠近尖头针顶点处实现，此针与邻近拔出电极形成正向偏压。当针尖足够锋利（曲率半径为nm）时，只要施加适度的电压（+20kV），就能产生所需的电场。少量气体进入该区域后可发生电场电离过程，离子生成速度通常在s-1左右。每一种新生成的离子都会发现它们身处很强大的电场之中，并且会快速地加速脱离needle而向着拔出电极方向运动。为方便观测，拔下之后可引入闪烁体对发射模式进行观测（图4）。
足够强的电场能把一电子从中性气体原子上剥离成正离子。一些重要进展包括控制发射器的外形以及准确地控制施加电压以使尺寸很小就能体验到所需电场强度。在适当的条件下，必要的电场只存在于发射极上最突出的三个原子（"三聚体trimer"）上方的盘状体积内。据估计，这些电离盘的体积只有几个立方埃，但以每秒约个离子的速度产生，这样的组合对产生高亮度的光束至关重要。小电离体积也意味着全部离子是以近乎一致的静电势生成的，这就形成了能量分布狭窄的离子束。还有一些重要启用特点，就是可以在稳定离子束需要很长一段时间才能维持发射器原子排列。通过将低温冷却，超高真空，超高气体纯度等技术组合在一起，满足了上述需求。
气场离子源的特性非常适合产生极小的聚焦探头尺寸。在30千伏的拔出电压下，reducedbrightness的测量值为大约Am-2sr-1V-1。这个显著的高值主要归因于产生离子的非常小的区域。估计GFIS光束能量扩散大约为1eV的半高宽，小到足以限制色差的潜在问题。而且与大多数离子束一样，衍射效应对整个聚焦探针的尺寸只有很小的贡献。由于这些原因，由两个静电透镜和偏转线圈组成的相对简单的镜筒使GFIS能够产生小至0.35nm(He)和1.9nm(Ne)的聚焦探针尺寸。这类小型离子束非常适合纳米尺度高分辨率成像与制作。但因发射电流总量有限；Trimer发射电流总量一般仅为pA，且仅有发射点很小一部分被孔径所选，一般让低于5pA离子束流进入试样。要实现前文所述最高分辨率就需要将探针束流控制在0.5pA或者更低。很明显该技术不适用于要求高去除率切削应用场合；它比较适用于要求探针尺寸最小的用途，例如成像、纳米级别处理等。GFIS技术用离子束可利用种类有一定局限性。目前氦气对高对比度、表面特异性样品成像已经非常成熟，如图5。此处对比度为形貌对比度与表面不同化学成分结合。也可采用带有附加Ne能力和提供纳米加工高溅射率的器件。然而，其他气体种类不太适合GFIS技术，因为它们会在所需的低温下通过化学侵蚀或冷凝损害排放稳定性。
低温离子源（LoTIS：LowTemperatureIonSource）工作原理
最近两年，一种新的离子源已经推向了商业化市场，它是通过激光冷却的气态铯（Cs）的光离子化产生Cs+束。在这里被称为低温离子源（LoTIS）。LoTIS的开发是建立在其他概念上类似的采用激光冷却的系统之上。LoTIS条件下气态原子由一个或者几个激光束发射的光子光离子化后再由外加电场加速产生离子束。图6所示为LoTIS基本概念图。离子束形成后，可通过静电偏转器及透镜聚焦于目标，方法类似于其他FIB系统。
低温离子源(LoTIS)
ColderAtom(更冷的原子)
LoTIS采用激光冷却领域的诺贝尔奖得主技术，首先创造出极冷的原子束，仅比绝对零度高几百万分之一度！再将此原子束于电场作用下光电离形成极冷离子束。用离子去热的方法来消除随机性，使用LoTIS后，FIB会使离子束聚焦更加明显。
BrighterIons(更亮的离子)
LoTIS在稍多的技术术语中，比工业标准技术液态金属离子源（LMIS）具有更高的亮度和更小的能量散射。较高亮度能在较低聚焦点处提供较大电流，降低能量扩散能缓解色差。其结果为FIB使用中使用的离子源能在很宽的束能量下提供高精度的运行。
材料薄膜制备过程示意图
LoTIS中亮度的基本方程是：
J是离子源产生的离子束的横截面电流密度，kB是玻尔兹曼常数，T是离子沿横截面方向的温度。考虑这样一个系统的最简单的实现，以了解为实现源亮度而需要的J和T的值，这对获得比LMIS值（Am-2sr-1V-1）大得多的亮度是有帮助的。电流密度J是由中性原子的密度和激光对它们的电离效率决定的。
考虑了这样一种简化系统：在特定压力作用下，原子若穿过薄激光片将发生电离。在此条件下，J的一个简单估计就能写出来：
其中，P是气体的压力，m是原子的质量。对于室温下7×10-4帕（5×10-6托）的压力，这意味着亮度低于40Am-2sr-1V-1，比LMIS差很多。所以高亮度运行要求电流密度有较大提高或者温度有较高降低。激光冷却可以显着降低达到高亮度时需要的温度。实现这一点的关键思想是，如果光离子化激光器在电离阈附近进行适当的调谐，其产生的离子的速度分布将与中性原子的速度分布几乎相同。
在Cs+LoTIS中，原子首先从lowpressure背景蒸汽中被捕获并形成高通量的原子束，然后使用磁光捕集技术进行压缩。该原子束是用opticalmolasses技术进行冷却，最后进行光离子化（opticalmolasses是一种激光冷却技术，可以将中性原子冷却到比磁光阱（MOT）更冷的温度。opticalmolasses由3对反向传播的圆偏振激光束组成，这些激光束在原子存在的区域中相交。）。从它的最简单形式上看，opticalmolasses就是由一对取向相反而又相互重合的激光束所构成；每个需要降温的大小为1对。这些光束调谐至稍低于原子共振。opticalmolasses制造出类似粘性且和速度相关的作用力使得原子趋近于静止。这些原子收集、压缩和冷却技术允许创建一个冷的、密集的（高于m-3）原子集合，同时在源头创建离子的部分保持低于10-6Pa的背景压力。最近，演示了一个J=0.16Am-2和T=30μK的系统，产生了一个亮度大于Am-2sr-1V-1的Cs+源。
并非所有原子种类都可适用于LoTIS，因为并非所有原子都适合激光冷却；碱金属可以全部冷却，稀有气体和其他几种金属（如Cr和Er）也可以冷却。利用其中某些原子种类，温度可降到μK或更低。但是，由于每一个原子要有各自的一套激光器冷却并实现光电离，这就给相同系统内原子间的切换带来了巨大的挑战。另外，各元素间所能达到的密度、温度也有较大差别。
LoTIS比其他大多数离子源具有更小的能量扩散，有助于提高分析性能，特别是在较低的束能量和束流条件下。像其他使用静电透镜的FIB系统那样，为了达到最佳焦斑尺寸，色差必须减小到最小；这些像差正比于离子束内能量的分布。LoTIS条件下能量扩散相当于加速离子所用电场与源沿程物理范围之和。这个大小是根据电离激光器大小来确定的，一般聚焦在几个微米。对于V/m量级的电场，这意味着能量扩散为十分之几eV，明显优于LMIS，并且与GFIS相似。
年，在市场上推出的新一代高精度低温Cs离子源FIB系统，采用全新的高性能Cs离子源。系统亮度高、体积小、能量散失少。从而实现了成像较清晰，加工精度较高，样品损伤较小。还明显降低维护难度及使用成本。相对于Ga系统而言，即使光束能量很低，也能提供很好的分辨率。相对于He或Ne系统而言，其所提供的切削速率较高，样品损坏较小，同时也能提供一种新型对比机制，二次离子产率较高。该类型的FIB非常适合：
高分辨率溅射使用二次电子或离子成像气体驱动的沉积和去除电路编辑
特征
Cs离子束，在10keV时具有2nm分辨率1pA至10+nA离子束束流2keV至18keV束流能量提供大多数行业标准附件
另外还展示了一种新型的纳米级聚焦离子束(FIB)，它基于在磁光阱(MOT)中保持在毫开尔文温度下的光电离激光冷却原子。这一新型离子源拓展了FIB中可利用离子的类型及可利用离子束能量，强化了其在纳米级表征与制作中的主要手段之一。
总结
这里介绍的离子源技术在某些方面扩展了传统GaLMIS的能力。这些改进包括更高的亮度、更低的能量扩散，以及使用替代离子种类或这些的某种组合进行操作的能力。一些新技术的功能和应用仍在探索中。特别是，LoTIS的整合步骤将包括与FIB镜筒的集成，并展示其预期的高性能切削。对于GFIS，关于可利用束流及替代离子类型的改良，目前正处于研究阶段。这些新型离子源应用于FIB系统后，可使应用范围扩大至新型应用或者提高较成熟离子源性能。相对于GaLMIS，上述优点可望在具体应用上得到商业上的承认。