引言

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（FIB）技术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、切割和故障分析等。

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工作原理

working principle

典型的离子束显微镜包括液态金属离子源及离子引出极、预聚焦极、聚焦极所用的高压电源、电对中、消像散电子透镜、扫描线圈、二次粒子检测器、可移动的样品基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电路控制板和电脑等硬件设备，如图1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10-8A/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。

图1 镓的离子路径和聚焦离子束显微镜的光学部分组成

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FIB的技术特征

The technical features

1、最高束流可以达到100nA,且加工性能优异。可以实现快速切割和纳米加工。

2、最高分辨率小于3nm，可以实现精细加工，并显示优异的FIB成像质量。

3、电压范围在500V-30KV可调，可以实现精细抛光，降低样品表面非晶层厚度。

4、离子源比较稳定，使用寿命长。行业内最长离子源寿命1500小时（3000uAh），72小时束流变化在5%以内。

5、与SEM镜筒完美配合，可以实现FIB加工过程中可以利用SEM进行实时观察。

图2 不同束流大小刻蚀的沟槽形貌

100 nA 束流在Si上加工（如图2所示），100µm 宽，10 µm 深的沟槽，只需要5分钟，边缘几乎看不到损伤区。

03

应用案例简介

Case description

1

芯片截面形貌表征

利用FIB在芯片的特定位置作截面断层，以便可以测量特定结构的尺寸和材质，为逆向仿真器件的效率提供参考（如图3）。也可以定点分析芯片结构缺陷（如图4）。

2

芯片电路修复

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。若芯片部分区域有问题,可通过FIB对此区域隔离或改正此区域功能,以便找到问题的原因。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。（如图5和图6所示）

3

TEM样品制备

透射电镜的样品限制条件是透射电镜应用的一大难题，通常透射电镜的样品厚度需控制在0.1微米以下。传统方法是通过手工研磨和离子溅射减薄来制样，不但费时而且还无法精确定位。聚焦离子束在制作透射电镜样品时，不但能精确定位，还能做到不污染和损伤样品。（如图7所示）

4

制备Probing Pad

在复杂的芯片线路中的任意位置，利用FIB沉积金属层引出测试点。以便进一步使用探针台去测试器件或者芯片的电学特性。（如图8所示）

5

微纳加工

可以根据客户的需求利用FIB制备特殊的形貌图案，可以实现点、面、圆、矩形和刻字等加工。为研究几何形状对特定材料性质的影响提供了便利。（如图9和图10所示）

04

小结

Summary

本文简单介绍了聚焦离子束（FIB）的基本原理、结构和应用。它的精确定位、显微观察和精细加工能力在电子领域有着重要应用。目前5nm的加工精度、无污染和不损伤样品在样品加工方面存在巨大优势，是其他样品制备设备无法达到的水平。上海交大平湖智能光电研究院拥有蔡司Crossbeam 350型号的聚焦离子束显微镜，能为客户提供定制化的FIB应用服务，接下来会不断更新关于FIB应用的具体案例。

参考资料丨《FIB的工作原理及其应用》章晓文林晓玲陈嫒

文案 | 陆熠磊

编辑 | 徐千棋

服务案例丨聚焦离子束（FIB）显微镜的原理及应用