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FIB聚焦离子束常见的应用场景分析

来源：时间：2022-10-19 09:53:38 浏览：3194次

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溅射表面原子的方法进行，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。

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如图所示。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与离子引出极，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，二次粒子检测器，活动样品基座，真空系统，抗振动与磁场装置，电路控制板，电脑等硬件设备组成，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

1 TEM制样

2 截面分析

3 芯片修补与线路修改

4 微纳结构制备

5 三维重构分析

6 原子探针样品制备

7 离子注入

8 光刻掩膜版修复

常用的TEM制样

1、半导体薄膜材料

这类样品多是在平坦衬底上长出薄膜材料，其中大部分是多层膜（各层材料不一样），极个别是单层。大部分厚度范围在几纳米到几百纳米之间。配制样品为选择地点多而没有固定局限。

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

利用FIB溅射刻蚀功能可定点切割试样并观测横截面（cross-section）来表征截面形貌尺寸，还可配备与元素分析（EDS）等相结合的体系来分析截面成分。普遍应用于芯片, LED等失效分析方面，普通IC芯片在加工时存在问题，采用FIB可迅速定点地分析缺陷产生的原因并改进工艺流程，FIB系统已成为当代集成电路工艺线必不可少的设备。

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。利用FIB中溅射功能可以切断某处连线，也可以利用它的沉积功能可以把某地原先没有连接到的地方连接到一起，这样就可以改变线路连线的方向，可以发现，诊断出线路中存在的误差，并能直接对芯片中的误差进行校正，减少研发成本并加快研发进程，由于它可以免去原形制备及掩模变更所需时间及成本。

微纳结构制备

FIB系统无需掩膜版，可以直接刻出或者在GIS系统下沉积出所需图形，利用FIB系统已经可以制备微纳米尺度的复杂的功能性结构，包括纳米量子电子器件，亚波长光学结构，表面等离激元器件，光子晶体结构等。通过合理的方法不仅可以实现二维平面图形结构，甚至可以实现复杂三维结构图形的制备。

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。

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失能，最后滞留于距表面某一深度范围内。

光刻掩膜版修复

在普通光学光刻中，掩膜版是图形的起源，但是经过长时间使用，掩膜版上的图形会出现损伤，造成光刻后的图形缺陷，掩膜版造价高，如果因为掩膜版上一个小的图形缺陷造成整个掩膜版的失效，重新制备掩膜版，成本高。采用FIB系统可实现掩膜版缺陷定点修复，且方法简便、快捷。透光区域进行缺陷修复时可采用离子沉积并选用沉积C为掩膜版修复材料，遮光区域采用离子溅射并蚀刻遮光缺陷。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离子的污染和玻璃透光率的变化导致残余缺陷的产生，这一点可通过RIE和清洗相结合的办法来刻蚀掉具有Ga离子注入表面的玻璃，使其透光率得到恢复。

来源：金鉴TEM与FIB实验室

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