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FIB聚焦離子束常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景分析

來(lái)源：時(shí)間：2022-10-19 09:53:38 瀏覽：4633次

系統(tǒng)及原理

雙束聚焦離子束系統(tǒng)可簡(jiǎn)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(chǎng)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(cè)器進(jìn)行采集及成像。

常見(jiàn)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(guò)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(cè)器，活動(dòng)樣品基座，真空系統(tǒng)，抗振動(dòng)與磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)可變孔徑光闌，決定離子束的大小，再經(jīng)過(guò)二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面，利用物理碰撞來(lái)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(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)。

7、原位芯片

用原位芯片代替銅網(wǎng)，將提取出來(lái)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(cè)橫截面（cross-section）來(lái)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(lái)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(wèn)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(cè)出問(wèn)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(lái)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(méi)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(wú)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(zhǎng)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(guò)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(lái)增長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)有序排布的Si原子間變得雜亂無(wú)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(guò)長(zhǎng)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(jiǎn)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(wèn)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(guò)RIE和清洗相結(jié)合的辦法來(lái)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(lái)源：金鑒TEM與FIB實(shí)驗(yàn)室

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