FIB常见应用明细及原理分析

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系统及原理

  双束聚焦离子束系统可简单地理解为是单束聚焦离子束和普通SEM之间的耦合。单束聚焦离子束系统包括离子源，离子光学柱，束描画系统，信号采集系统，样品台五大部分。离子束镜筒顶部为离子源，离子源上施加强大电场提取带正电荷离子，经静电透镜和偏转装置聚焦并偏转后实现样品可控扫描。样品加工采用加速离子轰击试样使表面原子溅射的方法进行，而生成的二次电子及二次离子则由对应探测器进行采集及成像。 常用的双束设备有电子束竖直安装和离子束和电子束呈一定角度安装两种，见附图。人们常把电子束与离子束在焦平面上的交线称为共心高度位置。使用时试样位于共心高度位置既可实现电子束成像，又可进行离子束处理，且可通过试样台倾转将试样表面垂直于电子束或者离子束。   典型离子束显微镜主要由液态金属离子源和离子引出极，预聚焦极，聚焦极使用高压电源，电对中，消像散电子透镜，扫描线圈等组成、二次粒子检测器，活动样品基座，真空系统，抗振动及磁场设备，电路控制板，电脑等硬件设备，如图所示： 外加电场于液态金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-4A/cm2，以电透镜聚焦，经过可变孔径光阑，决定离子束的大小，再经过二次聚焦以很小的束斑轰击样品表面，利用物理碰撞来达到切割的目的，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。

设备部分应用

  TEM制样、截面分析、芯片修补与线路修改、微纳结构制备、三维重构分析、原子探针样品制备、 离子注入、光刻掩膜版修复。

常用的TEM制样

  1、半导体薄膜材料 此类样品多为在平整的衬底上生长的薄膜材料，多数为多层膜（每层为不同材料），极少数为单层材料。多数的厚度范围是几纳米-几百纳米。制备样品是选用的位置较多，无固定局限。 2、半导体器件材料 此类样品多为在平整的衬底上生长的有各种形状材料，表面有图形，制样范围有局限。 3、金属材料 金属材料，多为表面平整样品，也有断口等不规则样品，减薄的区域多为大面积。 4、电池材料 电池材料多为粉末，每个大颗粒会有许多小颗粒组成，形状多为球形，由于电池材料元素的原子序数较小，pt原子进入在TEM下会较为明显，建议保护层采用C保护。 5、二维材料 此类样品为单层或多层结构，如石墨烯等，电子束产生的热效应会对其造成损伤，在制备样品前需要在表面进行蒸镀碳的处理，或者提前在表面镀上保护膜。 6、地质、陶瓷材料 此类样品导电性能差、有些会出现空洞，制备样品前需要进行喷金处理，材料较硬，制备时间长。 7、原位芯片 用原位芯片代替铜网，将提取出来的样品固定在芯片上，进行减薄。

截面分析

  应用FIB溅射刻蚀功能可定点切割试样并观测横截面（cross-section）来表征截面形貌大小，还可配备与元素分析（EDS）等相结合的体系来分析截面成分。通常应用在芯片，LED等失效分析方面，普通IC芯片在加工时存在问题，利用FIB能快速定点地对缺陷原因进行分析，改进工艺流程，FIB系统已成为当代集成电路工艺线中必不可少的装置。

芯片修补与线路编辑

  IC设计时，必须对所形成集成电路进行设计变更验证，优化与调试。在检测出问题之后，对这些缺陷的部位需进行维修。现有集成电路制程正在缩减。线路层数亦越来越多。应用FIB中溅射功能可以使某处连线切断，也可以用它的沉积功能使某地原先没有连接的地方连接在一起，使电路连线的方向发生了变化，可以找到、诊断电路是否存在误差，并能直接对芯片中的这些误差进行校正，减少研发成本并加快研发进程，由于它节省原形制备及掩模变更所需的时间及成本。

微纳结构制备

  FIB系统不需要掩膜版就能直接刻画出或沉积到GIS系统下所需要的图形，使用FIB系统已能够在微纳米尺度上制备复杂功能性结构，内容涉及纳米量子电子器件、亚波长光学结构、表面等离激元器件和光子晶体结构。采用合理方法，不但能实现二维平面图形结构的绘制，而且即使在复杂的三维结构中也能进行绘制。

三维重构分析

  使用FIB对材料进行三维重构的3D成像分析也是近年来增长速度飞快的领域。此方法多用于材料科学、地质学、生命科学等学科。三维重构分析目的主要是依靠软件控制FIB逐层切割和SEM成像交替进行，最后通过软件进行三维重构。FIB三维重构技术与EDS有效结合使得研究人员能够在三维空间对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征；和EBSD结合可对多晶体材料进行空间状态下的结构、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息进行表征。为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

原子探针样品制备

  原子探针( AP) 可以用来做三维成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析样品在纳米尺度下的化学成分。要实现这一应用的一个重要条件就是要制备一个大高宽比、锐利的探针，针尖的尺寸要控制在100 nm 左右。对原子探针样品的制备要求与TEM 薄片样品很接近方法也类似。首先选取感兴趣的取样位置，在两边挖V型槽，将底部切开后，再用纳米机械手将样品取出。转移到固定样品支座上，用Pt 焊接并从大块样品切断。连续从外到内切除外围部分形成尖锐的针尖。最后将样品用离子束低电压进行最终抛光，消除非晶层，和离子注入较多的区域。

离子注入

  在FIB加工中，离子束注入改性的研究同样是一项基础研究课题。如用高能离子束对单晶硅表面进行轰击，注入足够大时，离子轰击会使试样表层出现空位和非晶化等离子轰击破坏现象。在这一过程中，注入离子会和材料内有序排布的Si原子碰撞，发生能量传递，使原来有序排布的Si原子间变得杂乱无章，表面以下出现非晶层。注入的离子由于碰撞而损失了能量并最终滞留于距表面某一深度范围内。

光刻掩膜版修复

  普通光学光刻都以掩膜版为图形来源，但长期使用后掩膜版图形有破损现象，导致光刻之后图形产生缺陷，掩膜版价格昂贵，若因掩膜版表面存在微小图形缺陷而导致整体掩膜版失效时，再进行掩膜版制备，则费用较大。采用FIB系统可实现掩膜版缺陷定点修复，且方法简便、快捷。透光区域缺陷修复可采用离子沉积并选用沉积C为掩膜版修复材料；采用离子溅射对遮光区域进行缺陷修复，蚀刻去除遮光缺陷。然而采用FIB对掩膜版进行修补时存在的最大问题就是会导致Ga离子污染和玻璃透光率变化而产生残余缺陷，这就可采用RIE和清洗相结合的方式对注入Ga离子的表面玻璃进行刻蚀和去除，以恢复玻璃透光率。

审核编辑 黄宇