FIB 聚焦离子束显微镜

聚焦离子束显微镜主要使用 镓（Ga）液态金属离子源（Liquid Metal Ion Source, LMIS） 作为离子束来源。镓金属熔点约为 29.76°C，在真空环境下可形成稳定的液态金属离子源，当液态镓沿着金属针尖流动并施加高电场时，针尖会形成一个 泰勒锥（Taylor cone），此时镓原子会被游离并喷射形成高能离子束，这些离子束经过电磁透镜系统聚焦后，可形成直径小于 10 nm 的高能离子束，由于离子束具有高动能与高电流密度（约 10⁶ A/cm²·sr），因此可对材料表面进行精确的溅射与加工，达到纳米尺度的切割与材料移除。

FIB 系统包含液态金属离子源（LMIS）、聚焦与扫描透镜系统、精密样品移动平台、反应气体注入系统（GIS）、电子或离子讯号侦测器。在先进分析设备中，FIB 通常与 SEM 结合形成 双束系统（Dual Beam FIB-SEM），透过电子束观察与离子束加工的结合，可在不破坏周围结构的情况下完成高精度加工与分析。

• 电子束（SEM）：用于高解析影像观察与定位

• 离子束（FIB）：用于精准纳米级切割、材料沉积与TEM 试片制备

• 积体电路线路编修（Circuit Editing）：可透过离子束蚀刻与金属沉积技术进行电路修补、导线切割与重新连接，以快速验证芯片设计。
• 定点横截面分析（Cross-section Analysis）：可在特定位置精准切割样品，并透过 SEM 观察微结构，用于制程缺陷分析与结构确认。
• 离子通道影像对比（Ion Channeling Contrast）：利用晶体结构与离子束的交互作用，观察晶粒方向与晶体结构差异。
• TEM 试片制备（TEM Sample Preparation）：可制备纳米级超薄样品，提供穿透式电子显微镜（TEM）进行高解析分析

闳康科技建置完整的 FIB-SEM 分析平台，可提供纳米级材料加工与精准结构分析能力，透过高精度 FIB 设备与专业分析经验，闳康科技可提供客户高效率且高可靠度的微结构分析与纳米加工解决方案。

• 纳米级精准切割能力：对特定区域进行纳米尺度定位与剖面制备。
• TEM 试片高品质制备：结合 Lift-out 与 Omni-probe 技术，提高 TEM 分析成功率。
• 电路编修与故障定位能力：支持半导体产品设计验证与失效分析。
• 跨技术整合分析能力：FIB 可与 SEM、TEM、X-ray、SAT 等技术整合，形成完整分析流程。

图｜聚焦离子束显微镜 

1. 液态金属离子源。
2. 单束系统，具备多种反应气体例如：Br₂、XeF₂、TEOS，专攻电路编修之用。
3. 双束系统，汇集电子束及离子束于一机，专攻精准定位剖面切割及TEM样品制备。

在积体电路产品开发阶段，当首批芯片出厂时，若电路上有设计错误或功能不正常的状况发生，就需要透过线路修改来验证电路设计。 在早期，需要透过修改光罩与重新投片来进行电路修改与验证相当费时又耗财，尤其当积体电路制程持续微小化后，这个做法所需的经费更是急速的增加。所以当 FIB 能够执行金属及绝缘层的沉积与蚀刻后，俨然成为微小化的晶圆厂的后段制程生产线，可以在极低的费用下，快速提供电路的编修或光罩修补，以加快产品的验证；最多只要改版一次光罩，就可以完成产品的开发。 针对积体电路产品封装以及要编修的位置的不同，电路编修又可以分为正面编修（Front-side Editing）与背面编修（Back-side Editing）两大类。

 

 

一般而言，编修的难度依电路结构差异而有不同，施工编修位置的可用开挖空间越大，则施工的难度越低；上层金属导线的编修比底层的金属导线容易；铝金属导线则比铜导线容易施工；正面编修则较背面编修容易。常用的编修工程包括：

• 绝缘层深井的开挖
• 金属线的切断或切穿
• 绝缘层深井的金属填充
• 金属连线、点针的金属垫
• 电容、电阻制作

 

绝缘层沉积是由离子束来促成反应气体裂解，进而生成 SiO₂，常用的气体为 TEOS 或 TMCTS。金属沉积的反应气体则有沉积白金（Pt）的 (CH₃)Pt(CpCH₃)，沉积钨（W）的W(CO)₆ 。

 

FIB沉积的 W 比 Pt 有较低的阻值，填洞的能力也好，但是沉积速率比较慢，需花费较长时间施工。而碳膜的沉积气体则是用 C10H8 铝金属的蚀刻，则可用碘（I₂）、溴（Br₂）或氯（Cl₂）来达成。铜的蚀刻，则用镓及水气来溅蚀铜金属；绝缘层的蚀刻，则是用 XeF₂ 来达成化学蚀刻反应。

 

左图2 正面电路编修的步骤范例：

(a) IC开封盖 (decapsulation)

(b) 开孔与填充金属

(c) 连线与切断 (计划)

(d) Pt连线

(e) M2切断 (完工后结果

FIB 可以很精确地在需要做剖面切割的位置进行开挖，故障分析或是制程监控经常运用双束 FIB 进行特定点观察，先以电子束影像（即SEM影像）来搜寻欲切割的位置，定位后再以FIB进行切割；剖面完成后，再以电子束来取得断面的影像，如图 4(a) 所示。图5(b) 为一铜导线制程之积体电路的横截面结构。

在观测固态晶体样品时，由于原子的规则排列，在特定的晶体方向与晶面间形成许多类似长通道的规则晶格间隙，当离子束对准这些方向时，离子可以长驱直入，不会和样品中的表层原子产生碰撞，因而没有二次电子或背向散射的入射离子产生，所以信号侦测器收到的信号较弱。

图｜离子对准与未对准晶体通道方向的示意图（图中"穿隧的Ga+"改为"通道的Ga+"）

 

在观测固态晶体样品时，由于原子的规则排列，在特定的晶体方向与晶面间形成许多类似长通道的规则晶格间隙，当离子束对准这些方向时，离子可以长驱直入，不会和样品中的表层原子产生碰撞，因而没有二次电子或背向散射的入射离子产生，所以信号侦测器收到的信号较弱。

 

但是若是离子束没有对准这些方向，在表层即会和样品原子产生碰撞，而有较多的二次电子或背向散射的入射离子产生，信号侦测器所收到的信号较强。因此所获得的影像会有显著的明暗对比，这就是所谓的离子通道对比效应，如图6所示。

 

 

 

 

 

图｜ (a) 锡球横截面的光学影像；(b) 锡球的FIB离子通道影像

离子通道影像对比效应可以清楚显示出不同晶体的叠层结构，因此可用于晶粒大小与方向的分析。在图7(a)中，光学显微镜 OM 影像显现不同材料因反射率和折射率不同而形成的对比，或是试样因截面研磨而造成的材质软硬高低差，可透过此差异来分辨不同材料成份；但是图7(b)的 FIB 离子通道影像可以进一步显现锡球内 Pb-Sn 的晶粒结构，这些晶粒大小的分布透露出锡球接合过程的热处理温度梯度，代表在 PCB 板和 IC 之间的温差。

在FIB横截面的TEM样品制备上，有三种作法：预先薄化法（Pre-Thin）、静电吸取法（Lift-out）、探针取出法（Omni-probe），至于FIB的选择，则取决于样品的分析需求。

预先薄化法

图8(a)、(b)显示预先薄化法的试片制备，先以研磨方式将试片减薄到 5-10 um 后，再用 FIB 减薄到可供 TEM 观察的 0.1 um 厚度。这个方法的优点是可得到非常大面积（~50 um），且厚度均匀的 TEM 试片；由于薄区四周仍由相同材质的材料固定住，因此薄区试片不会有变形或捲曲之虑。但是这个方法必须经研磨，再经 FIB 切割，因此比较费工、耗时，且仍有研磨失败的风险。

图｜静电吸取法 (Lift-out)

 

 

 

 

静电吸取法

图9 显示吸取法的试片制备，先以 FIB 将取样区减薄后，再以 U 形切割将薄片与样品分离，最后用玻璃探针以静电吸附方式将其取出后，置于具碳膜的铜网上。这是目前最快速省时的TEM试片制备法，每个试片的制作工时在1小时以下，因此大量 TEM 试片的制作都是采用这个方法，但是这类试片一旦被搁置在碳膜上，即无法再作任何加工或重工，因此无法保证试片的最佳品质，最终试片厚度的判断仍须仰赖 FIB 工程师的工作经验。

 

 

 

 

 

 

 

探针取出法

图10 显示探针取出法，将试片以 FIB 粗切至 1 -2 mm 左右脱离样品后，以 FIB 沉积 Pt 将探针与试片焊在一起，再移动探针将试片移至试片座；以 FIB 沉积 Pt 将试片焊在试片座上后，再使用 FIB 将探针切离试片，最后以 FIB 将试片细修至可供 TEM 观察的薄度。

 

这是最复杂、最耗时的 TEM 试片制备法，全部工时大约 1.5-2 小时之间，但是这个方法可以在 TEM 观察后，若发现有任何需要局部修整的试片厚度，可以一再的重复进出 FIB 再施工，因此可以保证 TEM 试片制备的零失误与零风险，通常对于非常重要的试片分析皆采用此法。

 

左图10 探针取出法（Omni-probe）TEM试片制作过程的各步骤纪录：

(a)、(b) 黏贴探针到切好的试片上

(c) 吸出试片

(d) 黏贴试片到试片座上

(e) 切断试片上的探针

(f) 将试片座和试片置入TEM观察