半导体“聚焦离子束（FIB）”分析技术的详解；

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当前，国内外元器件级可靠性质量保证技术主要包括元器件补充筛选试验、破坏性物理分析（DPA）、结构分析（CA）、失效分析（FA）以及应用验证等。其中，结构分析是近年来逐渐推广的新型技术，它可以从材料和生产工艺等方面对元器件进行深入分析，为元器件的可靠性提供重要保障。而近年来，“聚焦离子束”（FIB）这种技术作为一种新型的微分析和微加工技术，在元器件可靠性领域得到了广泛应用，为提高元器件的可靠性提供了重要的技术支持。

一、FIB技术的简介

聚焦离子束技术，其英文全称为：Focused lon beam，简称：FlB，它是利用电透镜将离子東聚焦成非常小尺寸的离子東轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入、切割和改性。可以说，“聚焦离子束技术”堪称微观世界的纳米“雕刻师”，因凭借其高度集中的离子束，在纳米尺度上施展着加工、分析与成像的精湛技艺。FIB 技术以镓离子源为核心，通过精确调控离子束与样品表面的相互作用，实现纳米级的精细操作。

随着纳米科技的发展，纳米尺度制造业发展迅速，而纳米加工就是纳米制造业的核心部分，纳米加工的代表性方法就是聚焦离子束。近年来发展起来的聚焦离子束技术(FIB)利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工，配合扫描电镜(SEM)等高倍数电子显微镜实时观察，成为了纳米级分析、制造的主要方法。目前已广泛应用于半导体集成电路修改、离子注入、切割和故障分析等。

二、FIB技术的基本构成

1、离子源

液态金属离子源是 FIB 系统的核心部件，其中液态镓离子源最为常见。镓金属在加热至熔融状态后，形成尖锐的发射极。在强电场作用下，镓原子逐个或少量地被抽取出离子，进入加速电场区域。数千伏特的加速电压赋予离子足够的动能，使其具备撞击样品、诱发物理效应的能力。这种高能离子束是 FIB 技术实现微观加工的基础。

2、加速与偏转系统

加速后的离子束并非直接作用于样品，而是要经过一系列电磁透镜的聚焦。这些透镜如同微调工具，将离子束细化、集中，使其直径可在几纳米至几百纳米间灵活变化，达到纳米级操作精度。偏转系统则通过调节偏转板上的电压或电流，引导离子束沿预设轨迹扫描样品区域，实现对离子束方向的灵活操控，确保其能精准定位至样品表面的任意位置。这种精准操控能力是 FIB 技术实现复杂微观结构加工的关键。

3、样品室与检测系统

样品室负责承载待测试样品，内部维持着极高的真空度，通常在 10⁻⁶ Torr 甚至更高。这种高真空环境可有效避免空气分子对离子束的干扰，确保离子束的品质和稳定性。检测系统负责收集由离子束与样品交互产生的信号，如二次离子、二次电子等。

三、FIB技术的工作原理

聚焦离子束技术是一种基于离子束加工和分析的先进技术。其核心原理是利用液相金属离子源（LMIS）产生的镓（Gallium，Ga）离子束，在外加电场的作用下，通过聚焦和调节离子束的大小和能量，对样品进行微纳米级的加工和分析。FIB技术不仅可以实现材料的微分析，还能用于透射电子显微镜（TEM）样品的制备和纳米器件的加工。

双束FIB系统由扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束两部分组成。与传统的单束FIB相比，双束FIB增加了扫描电子显微镜功能，能够在加工后及时观察样品，并对失效器件进行原位分析。金鉴实验室的双束FIB系统不仅能够快速定位缺陷部位，还能进行高效的样品制备，帮助客户减少样品制备时间，并且不会引入新的失效模式。

四、FIB技术的微观运作机制

1、离子束的生成与加速

液态镓离子源在强电场作用下，从发射极尖端逐个抽取镓离子。这些离子进入加速电场区域，获得数千伏特的加速电压赋予的高动能，为后续撞击样品、诱发物理效应做好准备。

2、离子束的聚焦与扫描

加速后的离子束经过电磁透镜的聚焦，直径可灵活变化，达到纳米级精度。偏转系统通过调节偏转板的电压或电流，引导离子束沿预设轨迹扫描样品区域，实现精准定位与操作。

3、离子束 - 样品交互作用

蚀刻原理：高能离子束撞击样品时，离子将高动能传递给样品原子，导致这些原子被高速弹出样品表面，实现材料的精密去除。

沉积技术：通过向样品室内引入特定气体前驱体，在离子束轰击下，气体分解并在样品表面形成均匀薄膜沉积。这种方法可用于修补电路、创建导电连接或制备透射电子显微镜（TEM）样品支架，为微观加工提供了更多的可能性。

成像机制：离子束与样品相互作用时，会激发出二次电子、背散射离子等信号。通过检测这些信号，可获取样品表面形貌的详细信息，其成像原理与扫描电子显微镜（SEM）类似。结合 SEM 功能的双束系统，成像质量可进一步提升。

五、FIB技术的主要功能

1、蚀刻

FIB 利用高能离子束的物理溅射效应，可在纳米尺度上进行极其精细的切割、钻孔或雕刻。它广泛应用于微电子器件的制造和修复，如定位并切除有问题的电路部分，以便进一步分析故障原因。

2、沉积

FIB 不仅能移除材料，还能在特定位置沉积新材料。通过引入气体前驱体，在离子束作用下分解并形成薄膜沉积。这种方法可用于修补损坏的电路、创建导电连接或制备 TEM 样品支架，为纳米制造提供了更多可能性。

3、成像

离子束与样品相互作用产生的信号可被收集并转换为图像，显示样品的表面特征。虽然 FIB 的成像分辨率略低于 SEM，但它可以在加工前后立即对结果进行检查。现代 FIB 设备常结合 SEM 形成“双束”系统，实现高分辨率成像与精准 FIB 加工的完美结合。

4、断层扫描与三维重建

通过一系列薄切片的连续截面图像，FIB 可构建出样品内部结构的三维模型。

5、TEM 样品制备

FIB 能从块状材料中提取厚度仅为数十纳米的薄片，这些薄片足够透明以供 TEM 观察内部结构。对于硬质或脆性材料，FIB 是制备 TEM 样品的理想选择，传统方法难以实现如此精细的样品制备。这种能力使得 FIB 技术在材料科学和生物学研究中具有重要的应用价值。

6、纳米操纵与组装

利用 FIB 可实现对单个纳米粒子或纳米线的操作，如移动、焊接或切割。

7、材料改性

FIB 可用于改变材料的表面特性，例如通过局部掺杂或改变化学成分来调整其电学、光学或其他物理性质。这种表面处理能力为开发新材料、优化材料性能提供了新的途径。

六、FIB技术的优点

1、高精度

FIB 技术能够实现纳米级别的加工精度，这对于现代高度集成的芯片来说极为重要。芯片上的微小结构和复杂的电路布局需要极高的加工精度来确保修改和修复的准确性。

2、多功能性

单一设备即可实现蚀刻、沉积及成像等多种功能，有效简化了处理流程。

3、快速原型制作

FIB技术可以根据不同的需求进行各种加工和分析操作，无论是电路修改、故障分析还是结构分析，都能提供灵活的解决方案。在芯片调试过程中，时间往往非常紧迫，FIB技术的快速响应能力使其能够及时为问题的解决提供支持，满足芯片调试的高效需求。

4、局部化处理

能够针对特定区域实施精确作业，而对周围环境保持无影响。

5、材料改性

通过改变材料表面特性，实现材料性能的显著提升与改良。

6、TEM 样品制备

是制备硬质或脆性材料 TEM 样品的理想选择。

7、双束系统

与 SEM 结合的双束系统，不仅提升了工作效率，还实现了即时检查结果的便利性。

8、非接触式

与传统的机械加工方法不同，FIB 是一种非接触式加工技术。它不会对芯片造成机械损伤，从而更好地保护芯片的完整性和性能。这对于芯片这种高精度、高价值的电子产品来说尤为重要，因为任何机械损伤都可能导致芯片性能下降甚至报废。

七、FIB技术的应用

1、在可靠性中的应用

（1）原位失效分析

FIB技术在失效分析中的应用是其最为重要的功能之一。通过扫描电子显微镜对样品进行高分辨率表征和精确定位，FIB可以定点加工出光滑的截面，从而实现对失效点的原位观察和分析。与传统的失效分析技术相比，FIB技术能够提供更为精确的失效部位信息，帮助工程师快速定位问题并采取相应的改进措施。

（2）TEM样品制备

在材料微分析领域，TEM样品的制备是研究材料微观结构和性能的重要手段。传统的TEM样品制备技术主要依赖于机械研磨抛光和离子减薄技术，但这种方法存在诸多局限性，如样品表面易受污染、制备重复性低、难以加工脆性材料以及制备时间长等。

此外，FIB技术能够实现样品的快速制备，大大缩短了制备时间。研究表明，采用FIB技术制备的TEM样品，其厚度可以达到几十纳米，且非晶化损伤可以控制在极低水平，从而为高精度的材料分析提供了保障。

（3）纳米器件加工

FIB技术不仅在分析领域表现出色，还在纳米器件加工中展现出了巨大的潜力。作为一种新型的微加工技术，FIB能够实现高精度的纳米结构加工，为新型纳米器件的研发提供了有力支持。

2、在微电子工业的应用

（1）故障分析与修复

在半导体行业中，FIB技术被广泛用于故障定位与分析。当集成电路（IC）出现故障时，FIB可以通过高精度的离子束对芯片进行局部切割和移除，从而暴露出故障区域，以便进一步分析故障原因。例如，在PCB和IC载板行业，FIB技术常用于盲孔底部分析和异物分析，确保电路板和集成电路的可靠性和稳定性。

此外，FIB技术还能够用于电路修复。通过溅射或沉积功能，FIB可以在纳米尺度上对电路进行修改和优化。例如，在电路设计过程中，如果需要对成品进行修改，FIB可以通过沉积金属或绝缘材料来修复损坏的电路，或者创建新的连接。这种灵活性显著降低了研发成本，加快了研发速度。

（2）掩膜版修复

在光刻过程中，掩膜版的精度直接影响到芯片制造的质量。然而，掩膜版在使用过程中可能会出现缺陷或损坏。FIB技术可以对掩膜版进行精确修复，通过离子束的蚀刻和沉积功能，去除缺陷部分并填补缺失部分。这种方法不仅减少了重新制作掩膜的成本和时间，还提高了掩膜版的使用寿命。

3、在芯片调试中的应用

（1）电路修改与修复

在芯片设计和制造过程中，由于种种原因可能会出现设计错误或制造缺陷。FIB 技术能够对芯片电路进行精细的修改和修复。通过切断错误的金属连接线，并重新建立正确的连接，FIB 可以快速纠正信号线连接错误等问题。

对于早期的样品或工程样机，FIB 技术无需重新制造芯片，即可进行快速的电路修改和验证，大大缩短了芯片的调试周期，提高了研发效率。

（2）故障分析与定位

发生故障时，FIB 技术能够通过逐层切割和高分辨率观察，快速定位故障点。无论是短路、开路还是其他电气故障，FIB 都可以通过精确的切割和分析，帮助工程师找到问题的根源。例如，对于怀疑出现故障的晶体管，FIB 可以切割其周围区域，结合电子显微镜进行观察，从而确定故障的具体原因。这种能力对于快速解决芯片故障、优化设计和提高产品质量至关重要。

八、FIB技术未来的发展趋势

随着芯片技术的不断发展，FIB技术也在持续进步。未来，FIB技术有望更加自动化和智能化，降低操作难度和成本，从而进一步扩大其在芯片调试领域的应用范围。所以在其未来发展趋势上可以有以下几个方面：

1、技术创新与突破

未来五年，FIB系统行业将呈现技术创新不断突破的趋势，新型聚焦离子束设备的研发将成为行业重点。随着纳米技术的不断进步，FIB系统的分辨率和精度将进一步提升，能够实现对材料的更精准操控。

2、跨学科融合

FIB技术涉及物理学、材料科学、电子工程等多个学科领域，其应用领域也在不断拓展。例如，在生物医学领域，FIB技术在基因编辑、细胞切割等方面的应用正逐渐成为研究热点。同时，FIB系统与人工智能、大数据等新兴技术的结合，将进一步提升系统的智能化水平，推动行业向更高层次发展。

3、应用领域的扩展

随着新材料如二维材料、纳米材料等的不断涌现，FIB技术对这些新材料的精确加工需求也在增长。此外，半导体行业对FIB系统的需求不断增长，特别是在5G、人工智能等新兴领域的应用需求日益旺盛。

4、市场竞争与整合

国内外市场竞争日益激烈，行业整合加速。制造商使用FIB系统来测试和分析不同组件或设备的性能，推动了电子和半导体行业对FIB工艺的需求增加。

5、政策支持与市场前景

在国家政策支持下，我国FIB系统行业取得了显著成果。例如，中国科学院合肥物质科学研究院自主研发的聚焦离子束设备成功应用于我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”的微纳加工，标志着我国在高端FIB技术领域取得了重要突破。随着我国经济的持续增长和产业升级，FIB系统行业的发展前景广阔。

6、市场运营态势

2025年，中国FIB系统市场运营态势呈现出多元化发展趋势。一方面，随着5G、人工智能等新兴产业的快速发展，对FIB系统的需求不断上升，推动了市场规模的扩大。另一方面，市场竞争日益激烈，国内外企业纷纷加大研发投入，推出具有更高性能、更低成本的产品，以抢占市场份额。

最后想说的话

FIB技术在未来将继续朝着更高精度、更高效率、更广泛应用领域和更激烈的市场竞争方向发展。技术创新、跨学科融合、政策支持以及市场需求的增长将共同推动这一技术的不断进步和广泛应用。

同时，最主要的是：FIB 技术与其他先进技术的结合也将为半导体芯片调试提供更强大的工具。例如，与电子束光刻技术、纳米材料合成技术等的结合，将为半导体芯片制造和调试带来更多的可能性，可以推动半导体芯片技术向更高性能、更小尺寸的方向发展。

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审核编辑 黄宇