FIB常見應(yīng)用明細及原理分析

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系統(tǒng)及原理

雙束聚焦離子束系統(tǒng)可簡單地理解為是單束聚焦離子束和普通SEM之間的耦合。單束聚焦離子束系統(tǒng)包括離子源，離子光學(xué)柱，束描畫系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)，樣品臺五大部分。離子束鏡筒頂部為離子源，離子源上施加強大電場提取帶正電荷離子，經(jīng)靜電透鏡和偏轉(zhuǎn)裝置聚焦并偏轉(zhuǎn)后實現(xiàn)樣品可控掃描。樣品加工采用加速離子轟擊試樣使表面原子濺射的方法進行，而生成的二次電子及二次離子則由對應(yīng)探測器進行采集及成像。 常用的雙束設(shè)備有電子束豎直安裝和離子束和電子束呈一定角度安裝兩種，見附圖。人們常把電子束與離子束在焦平面上的交線稱為共心高度位置。使用時試樣位于共心高度位置既可實現(xiàn)電子束成像，又可進行離子束處理，且可通過試樣臺傾轉(zhuǎn)將試樣表面垂直于電子束或者離子束。 典型離子束顯微鏡主要由液態(tài)金屬離子源和離子引出極，預(yù)聚焦極，聚焦極使用高壓電源，電對中，消像散電子透鏡，掃描線圈等組成、二次粒子檢測器，活動樣品基座，真空系統(tǒng)，抗振動及磁場設(shè)備，電路控制板，電腦等硬件設(shè)備，如圖所示： 外加電場于液態(tài)金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束。在一般工作電壓下，尖端電流密度約為10-4A/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過可變孔徑光闌，決定離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面，利用物理碰撞來達到切割的目的，離子束到達樣品表面的束斑直徑可達到7納米。

設(shè)備部分應(yīng)用

TEM制樣、截面分析、芯片修補與線路修改、微納結(jié)構(gòu)制備、三維重構(gòu)分析、原子探針樣品制備、離子注入、光刻掩膜版修復(fù)。

常用的TEM制樣

1、半導(dǎo)體薄膜材料 此類樣品多為在平整的襯底上生長的薄膜材料，多數(shù)為多層膜（每層為不同材料），極少數(shù)為單層材料。多數(shù)的厚度范圍是幾納米-幾百納米。制備樣品是選用的位置較多，無固定局限。 2、半導(dǎo)體器件材料 此類樣品多為在平整的襯底上生長的有各種形狀材料，表面有圖形，制樣范圍有局限。 3、金屬材料 金屬材料，多為表面平整樣品，也有斷口等不規(guī)則樣品，減薄的區(qū)域多為大面積。 4、電池材料 電池材料多為粉末，每個大顆粒會有許多小顆粒組成，形狀多為球形，由于電池材料元素的原子序數(shù)較小，pt原子進入在TEM下會較為明顯，建議保護層采用C保護。 5、二維材料 此類樣品為單層或多層結(jié)構(gòu)，如石墨烯等，電子束產(chǎn)生的熱效應(yīng)會對其造成損傷，在制備樣品前需要在表面進行蒸鍍碳的處理，或者提前在表面鍍上保護膜。 6、地質(zhì)、陶瓷材料 此類樣品導(dǎo)電性能差、有些會出現(xiàn)空洞，制備樣品前需要進行噴金處理，材料較硬，制備時間長。 7、原位芯片 用原位芯片代替銅網(wǎng)，將提取出來的樣品固定在芯片上，進行減薄。

截面分析

應(yīng)用FIB濺射刻蝕功能可定點切割試樣并觀測橫截面（cross-section）來表征截面形貌大小，還可配備與元素分析（EDS）等相結(jié)合的體系來分析截面成分。通常應(yīng)用在芯片，LED等失效分析方面，普通IC芯片在加工時存在問題，利用FIB能快速定點地對缺陷原因進行分析，改進工藝流程，F(xiàn)IB系統(tǒng)已成為當(dāng)代集成電路工藝線中必不可少的裝置。

芯片修補與線路編輯

IC設(shè)計時，必須對所形成集成電路進行設(shè)計變更驗證，優(yōu)化與調(diào)試。在檢測出問題之后，對這些缺陷的部位需進行維修?，F(xiàn)有集成電路制程正在縮減。線路層數(shù)亦越來越多。應(yīng)用FIB中濺射功能可以使某處連線切斷，也可以用它的沉積功能使某地原先沒有連接的地方連接在一起，使電路連線的方向發(fā)生了變化，可以找到、診斷電路是否存在誤差，并能直接對芯片中的這些誤差進行校正，減少研發(fā)成本并加快研發(fā)進程，由于它節(jié)省原形制備及掩模變更所需的時間及成本。

微納結(jié)構(gòu)制備

FIB系統(tǒng)不需要掩膜版就能直接刻畫出或沉積到GIS系統(tǒng)下所需要的圖形，使用FIB系統(tǒng)已能夠在微納米尺度上制備復(fù)雜功能性結(jié)構(gòu)，內(nèi)容涉及納米量子電子器件、亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)、表面等離激元器件和光子晶體結(jié)構(gòu)。采用合理方法，不但能實現(xiàn)二維平面圖形結(jié)構(gòu)的繪制，而且即使在復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)中也能進行繪制。

三維重構(gòu)分析

使用FIB對材料進行三維重構(gòu)的3D成像分析也是近年來增長速度飛快的領(lǐng)域。此方法多用于材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科。三維重構(gòu)分析目的主要是依靠軟件控制FIB逐層切割和SEM成像交替進行，最后通過軟件進行三維重構(gòu)。FIB三維重構(gòu)技術(shù)與EDS有效結(jié)合使得研究人員能夠在三維空間對材料的結(jié)構(gòu)形貌以及成分等信息進行表征；和EBSD結(jié)合可對多晶體材料進行空間狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息進行表征。為了方便大家對材料進行深入的失效分析及研究，金鑒實驗室具備Dual Beam FIB-SEM業(yè)務(wù)，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。

原子探針樣品制備

原子探針( AP) 可以用來做三維成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析樣品在納米尺度下的化學(xué)成分。要實現(xiàn)這一應(yīng)用的一個重要條件就是要制備一個大高寬比、銳利的探針，針尖的尺寸要控制在100 nm 左右。對原子探針樣品的制備要求與TEM 薄片樣品很接近方法也類似。首先選取感興趣的取樣位置，在兩邊挖V型槽，將底部切開后，再用納米機械手將樣品取出。轉(zhuǎn)移到固定樣品支座上，用Pt 焊接并從大塊樣品切斷。連續(xù)從外到內(nèi)切除外圍部分形成尖銳的針尖。最后將樣品用離子束低電壓進行最終拋光，消除非晶層，和離子注入較多的區(qū)域。

離子注入

在FIB加工中，離子束注入改性的研究同樣是一項基礎(chǔ)研究課題。如用高能離子束對單晶硅表面進行轟擊，注入足夠大時，離子轟擊會使試樣表層出現(xiàn)空位和非晶化等離子轟擊破壞現(xiàn)象。在這一過程中，注入離子會和材料內(nèi)有序排布的Si原子碰撞，發(fā)生能量傳遞，使原來有序排布的Si原子間變得雜亂無章，表面以下出現(xiàn)非晶層。注入的離子由于碰撞而損失了能量并最終滯留于距表面某一深度范圍內(nèi)。

光刻掩膜版修復(fù)

普通光學(xué)光刻都以掩膜版為圖形來源，但長期使用后掩膜版圖形有破損現(xiàn)象，導(dǎo)致光刻之后圖形產(chǎn)生缺陷，掩膜版價格昂貴，若因掩膜版表面存在微小圖形缺陷而導(dǎo)致整體掩膜版失效時，再進行掩膜版制備，則費用較大。采用FIB系統(tǒng)可實現(xiàn)掩膜版缺陷定點修復(fù)，且方法簡便、快捷。透光區(qū)域缺陷修復(fù)可采用離子沉積并選用沉積C為掩膜版修復(fù)材料；采用離子濺射對遮光區(qū)域進行缺陷修復(fù)，蝕刻去除遮光缺陷。然而采用FIB對掩膜版進行修補時存在的最大問題就是會導(dǎo)致Ga離子污染和玻璃透光率變化而產(chǎn)生殘余缺陷，這就可采用RIE和清洗相結(jié)合的方式對注入Ga離子的表面玻璃進行刻蝕和去除，以恢復(fù)玻璃透光率。

審核編輯 黃宇