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FIB聚焦離子束常見的應(yīng)用場景分析

來源：時(shí)間：2022-10-19 09:53:38 瀏覽：3765次

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(hào)采集系統(tǒng)，樣品臺(tái)五大部分。離子束鏡筒頂部為離子源，離子源上施加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)樣品可控掃描。樣品加工采用加速離子轟擊試樣濺射表面原子的方法進(jìn)行，而生成的二次電子及二次離子則由對(duì)應(yīng)探測器進(jìn)行采集及成像。

常見的雙束設(shè)備是電子束垂直安裝，離子束與電子束成一定夾角安裝，如圖所示。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(shí)試樣位于共心高度位置既可實(shí)現(xiàn)電子束成像又可進(jìn)行離子束處理，且可通過試樣臺(tái)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)金屬離子源與離子引出極，預(yù)聚焦極，聚焦極使用高壓電源，電對(duì)中，消像散電子透鏡，掃描線圈，二次粒子檢測器，活動(dòng)樣品基座，真空系統(tǒng)，抗振動(dòng)與磁場裝置，電路控制板，電腦等硬件設(shè)備組成，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(xì)小尖端，再加上負(fù)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(dá)到切割的目的，離子束到達(dá)樣品表面的束斑直徑可達(dá)到7納米。

設(shè)備部分應(yīng)用

1 TEM制樣

2 截面分析

3 芯片修補(bǔ)與線路修改

4 微納結(jié)構(gòu)制備

5 三維重構(gòu)分析

6 原子探針樣品制備

7 離子注入

8 光刻掩膜版修復(fù)

常用的TEM制樣

1、半導(dǎo)體薄膜材料

這類樣品多是在平坦襯底上長出薄膜材料，其中大部分是多層膜（各層材料不一樣），極個(gè)別是單層。大部分厚度范圍在幾納米到幾百納米之間。配制樣品為選擇地點(diǎn)多而沒有固定局限。

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(gè)大顆粒會(huì)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(jìn)入在TEM下會(huì)較為明顯，建議保護(hù)層采用C保護(hù)。

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(huì)對(duì)其造成損傷，在制備樣品前需要在表面進(jìn)行蒸鍍碳的處理，或者提前在表面鍍上保護(hù)膜。

6、地質(zhì)、陶瓷材料

此類樣品導(dǎo)電性能差、有些會(huì)出現(xiàn)空洞，制備樣品前需要進(jìn)行噴金處理，材料較硬，制備時(shí)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(jìn)行減薄。

截面分析

利用FIB濺射刻蝕功能可定點(diǎn)切割試樣并觀測橫截面（cross-section）來表征截面形貌尺寸，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。普遍應(yīng)用于芯片, LED等失效分析方面，普通IC芯片在加工時(shí)存在問題，采用FIB可迅速定點(diǎn)地分析缺陷產(chǎn)生的原因并改進(jìn)工藝流程，F(xiàn)IB系統(tǒng)已成為當(dāng)代集成電路工藝線必不可少的設(shè)備。

芯片修補(bǔ)與線路編輯

IC設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)所形成集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)變更驗(yàn)證，優(yōu)化與調(diào)試。在檢測出問題之后，對(duì)這些缺陷的部位需進(jìn)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。利用FIB中濺射功能可以切斷某處連線，也可以利用它的沉積功能可以把某地原先沒有連接到的地方連接到一起，這樣就可以改變線路連線的方向，可以發(fā)現(xiàn)，診斷出線路中存在的誤差，并能直接對(duì)芯片中的誤差進(jìn)行校正，減少研發(fā)成本并加快研發(fā)進(jìn)程，由于它可以免去原形制備及掩模變更所需時(shí)間及成本。

微納結(jié)構(gòu)制備

FIB系統(tǒng)無需掩膜版，可以直接刻出或者在GIS系統(tǒng)下沉積出所需圖形，利用FIB系統(tǒng)已經(jīng)可以制備微納米尺度的復(fù)雜的功能性結(jié)構(gòu)，包括納米量子電子器件，亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)，表面等離激元器件，光子晶體結(jié)構(gòu)等。通過合理的方法不僅可以實(shí)現(xiàn)二維平面圖形結(jié)構(gòu)，甚至可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)圖形的制備。

三維重構(gòu)分析

使用FIB對(duì)材料進(jìn)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(jìn)行，最后通過軟件進(jìn)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(duì)材料的結(jié)構(gòu)形貌以及成分等信息進(jìn)行表征；和EBSD結(jié)合可對(duì)多晶體材料進(jìn)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(jìn)行表征。

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(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的一個(gè)重要條件就是要制備一個(gè)大高寬比、銳利的探針，針尖的尺寸要控制在100 nm 左右。對(duì)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(jī)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(jìn)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(xiàng)基礎(chǔ)研究課題。如用高能離子束對(duì)單晶硅表面進(jìn)行轟擊，注入足夠大時(shí)，離子轟擊會(huì)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(huì)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失能，最后滯留于距表面某一深度范圍內(nèi)。

光刻掩膜版修復(fù)

在普通光學(xué)光刻中，掩膜版是圖形的起源，但是經(jīng)過長時(shí)間使用，掩膜版上的圖形會(huì)出現(xiàn)損傷，造成光刻后的圖形缺陷，掩膜版造價(jià)高，如果因?yàn)檠谀ぐ嫔弦粋€(gè)小的圖形缺陷造成整個(gè)掩膜版的失效，重新制備掩膜版，成本高。采用FIB系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掩膜版缺陷定點(diǎn)修復(fù)，且方法簡便、快捷。透光區(qū)域進(jìn)行缺陷修復(fù)時(shí)可采用離子沉積并選用沉積C為掩膜版修復(fù)材料，遮光區(qū)域采用離子濺射并蝕刻遮光缺陷。然而采用FIB對(duì)掩膜版進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)存在的最大問題就是會(huì)導(dǎo)致Ga離子的污染和玻璃透光率的變化導(dǎo)致殘余缺陷的產(chǎn)生，這一點(diǎn)可通過RIE和清洗相結(jié)合的辦法來刻蝕掉具有Ga離子注入表面的玻璃，使其透光率得到恢復(fù)。

來源：金鑒TEM與FIB實(shí)驗(yàn)室

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