聚焦离子束

显微切割仪器

聚焦离子束（Focused Ion beam，简称FIB）是一种利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器。

基本信息

商用系统的离子束为液相金属离子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），金属材质为镓（Gallium，Ga），因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场（Suppressor）与液相金属离子源可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）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1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小与畸变修正、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济，同时可以产生更多的信息，例如被观察样品的成分不同等。

工作原理

液态金属离子源

离子源是聚焦离子束系统的心脏，真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点，使之成为绝大多数聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源[1、2]。

在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（泰勒锥），液态尖端的电场强度可高达10^10V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/sr。

聚焦离子束系统

聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，商用FIB系统的粒子束多是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓（Gallium，Ga）。

在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后用E×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。

基本功能

聚焦离子束显微镜的基本功能可概分为四种：

1. 定点切割（Precisional Cutting）-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。广泛应用于集成电路（IC）和LCD的Cross Section加工和分析。

2. 选择性的材料蒸镀（Selective Deposition）-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化层的沉积（Metal and TEOS Deposition），常见的金属沉积有铂（Platinum，Pt）和钨（Tungstun，W）二种。

3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻（Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2）-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。

4. 蚀刻终点侦测（End Point Detection）-侦测二次离子的讯号，藉以了解切割或蚀刻的进行状况。

至于离子束显微镜在集成电路制造工业上的应用，主要可分为五大类：1.线路修补和布局验证；2.组件故障分析；3.生产线制程异常分析；4.IC 制程监控-例如光阻切割；5.穿透式电子显微镜试片制作。

在各类应用中，以线路修补和布局验证这一类的工作具有最大经济效益，局部的线路修改可省略重作光罩和初次试作的研发成本，这样的运作模式对缩短研发到量产的时程绝对有效，同时节省大量研发费用。

当我们欲进行产品侦错或故障分析时，在没有KLA或TENCOR等数据档案（例如：GDSII file）数据的情况下，对于小尺寸的晶粒或已经封装后的产品，亦可利用附属的影像重叠系统（Image Overlay System），在光学显微镜下依据参考点定出欲分析位置的相对横向和纵向距离，而在离子束显微镜内迅速找到该位置，不需以人力费时的去寻找。假若当欲分析处为前层次或是为平坦化制程，离子束显微镜的影像无法从上视（Top-View）的观察推断出确切的分析位置时，也可藉影像对准（Align Image）将离子束显微镜影像与光学显微镜影像重叠，再由光学显微镜影像定出欲切割位置，同样可达成定点位置的分析。

关于穿透式电子显微镜试片制作，离子束显微镜提供了另一种选择，在合理的工作时数（2-6小时）与成功率（> 90 %）的掌握度下，离子束显微镜不失为良好的试片制作工具。

由于离子束显微镜在辅以不同的化学气体时可具有材料沉积与蚀刻的功能，因此在5-10年前即引起人们对In-Situ Processing（在单一Chamber内连续完成所有制程）的研究兴趣，许多先进的组件制作，例如：镭射二极管（Laser Diode），量子井组件（Quantum Well Devices）等，都曾利用离子束显微镜的工作原理示范过组件的制作。加之，因为离子束显微镜的离子源为镓离子，对硅晶材料而言，镓离子植入亦可作为P-Type接面的离子源，在过去的浅接面（Shallow Junction Formation）中，由于镓离子的扩散系数和穿隧效应比硼（Boron，B）来得小，因此也曾掀起研究的热潮。

此外在无光罩式的离子注入（Maskless Ion Implantation）应用上，由于离子束显微镜的离子束能量可随意调变，所以相较于传统式的光阻罩幕后单一能量离子布植，离子束显微镜不但可以作极小面积的离子布植（0.1埃0.1 um2 以下），而且最特别的是布植区域的离子植入深度（亦即 P/N 接面的深度）可依组件设计而调变，这将使得组件设计的空间更广更有趣；在IC工业的应用上，离子束显微镜在光罩修补（Mask Repair）上亦有取代雷射光的趋势，尤其是对相位转换光罩（Phase Shift Mask，PSM）的制作中，离子束显微镜的分辨率和修补的精准度（Repair Edge Placement Accuracy）都优于镭射光，在0.25 um以下的制程中，可预期的是离子束显微镜也将会在这个领域中活络起来。

曝光技术

聚焦离子束曝光技术概述

聚焦离子束也可以像电子束那样作为一种曝光手段。离子束曝光有非常高的灵敏度，这主要是因为在固体材料中的能量转移的效率远远高于电子。常用的电子束曝光抗蚀剂对离子的灵敏度要比对电子束高100倍以上。除了灵敏度高之外，离子束曝光的另一优点是几乎没有邻近效应。由于离子本身的质量远大于电子，离子在抗蚀剂中的散射范围要远小于电子，并且几乎没有背散射效应。

聚焦离子束曝光是一种类似于电子束曝光的技术，它是在聚焦离子束技术基础上将原子离化后形成离子束的能量控制在10～200keV范围内，再对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细线条的图形。其曝光机理是离子束照射抗蚀剂并在其中沉积能量，使抗蚀剂起降解或交联反应，形成良溶胶或非溶凝胶，再通过显影，获得溶与非溶的对比图形。

聚焦离子束曝光技术自发展以来，由于其曝光深度有限以及曝光系统与曝光工艺的复杂性，发展受到了限制。但在实验条件下，聚焦离子束仍可作为制作小批量研究性质的器件的一种工具。真正把聚焦离子束认真地作为一种大规模集成电路生产的曝光工具来开发是20世纪90年代后期的聚焦离子束投影曝光技术。

聚焦离子束投影曝光技术

根据是否有静电离子投影镜，聚焦离子束投影曝光技术可分为有掩模的1：1聚焦离子束投影曝光和有掩模的聚焦离子束缩小投影曝光两类。

有掩模的1：1聚焦离子束曝光，它包括离子源、离子束照明系统、镂空掩模和工件台等。它是将平行的离子束照射在镂空掩模上，使掩模上的图像直接映在下面的工件台上，象拍照一样一次性产生曝光图形。

有掩模的离子束缩小投影曝光，它包括离子源、离子束系统、镂空掩模、静电离子束投影镜和工件台等。它是在掩模和工件间加一个静电离子束投影镜，使经过掩模的图像按比例缩小到工件台上，从而使曝光图形的线宽得到进一步的缩小，同时也缩小了掩模制作上的缺陷，大大地降低了掩模的制作难度。然而这种掩模也面临着应力和入射离子造成的发热等问题，为此采取了一系列措施，如：对掩模进行掺杂；对膜增加保护层；设计掩模冷却系统及通过有限元分析改进了掩模框架的设置，避免气流对掩模造成振动等。

聚焦离子束投影曝光技术的优点

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也就是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。而光学曝光的焦深只有1～2μm为，图5显示了聚焦离子束投影曝光获得的线条图形。线条跨越硅片表面的起伏结构时其线宽没有任何变化。聚焦离子束投影曝光的另一个优点是通过控制离子能量可以控制离子的穿透深度，从而控制抗蚀剂的曝光深度。

聚焦的离子束在半导体行业有着重要作用，可用来切割纳米级结构，对光刻技术中的屏蔽板进行修补，制作透射电镜样品，分离和分析集成电路的各个元件，激活由特殊原子组成的材料，使其具有导电性等等。我国的科研单位及高等院校在聚焦离子束曝光技术及其应用方面也作了大量的研究工作并取得了可喜的成绩。我们相信，随着我国微电子工业的发展，聚焦离子束曝光技术及其应用技术也必将被提高到新的水平。

主要作用

1.产生二次电子信号取得电子像.此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似

2.用强电流离子束对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面形貌加工。

3.通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择性的剥除金属，氧化硅层或沉积金属层。

应用介绍

FIB技术的在芯片设计及加工过程中的应用介绍：

1.IC芯片电路修改

用FIB对芯片电路进行物理修改可使芯片设计者对芯片问题处作针对性的测试，以便更快更准确的验证设计方案。若芯片部份区域有问题，可通过FIB对此区域隔离或改正此区域功能，以便找到问题的症结。

FIB还能在最终产品量产之前提供部分样片和工程片，利用这些样片能加速终端产品的上市时间。利用FIB修改芯片可以减少不成功的设计方案修改次数，缩短研发时间和周期。

2.Cross-Section 截面分析

用FIB在IC芯片特定位置作截面断层，以便观测材料的截面结构与材质，定点分析芯片结构缺陷。

3.Probing Pad

在复杂IC线路中任意位置引出测试点，以便进一步使用探针台（Probe- station）或 E-beam 直接观测IC内部信号。

4.FIB透射电镜样品制备

这一技术的特点是从纳米或微米尺度的试样中直接切取可供透射电镜或高分辨电镜研究的薄膜。试样可以为IC芯片、纳米材料、颗粒或表面改性后的包覆颗粒，对于纤维状试样，既可以切取横切面薄膜也可以切取纵切面薄膜。对含有界面的试样或纳米多层膜，该技术可以制备研究界面结构的透射电镜试样。技术的另一重要特点是对原始组织损伤很小。

5.材料鉴定

材料中每一个晶向的排列方向不同，可以利用遂穿对比图像进行晶界或晶粒大小分布的分析。另外，也可加装EDS或SIMS进行元素组成分析。

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