FIB 聚焦离子束显微镜
聚焦离子束显微镜是运用镓（Ga）金属来做为离子源，镓的熔点为 29.76°C，在此时的蒸气压为 «10-13 Torr，适合在真空下操作。在使用时，液态的镓会沿着灯丝流至针尖，当外加电场强到可以将针尖的液态镓，拉成曲率半径小于一临界半径的圆锥体（Taylor cone）时，镓就被游离而喷出，形成镓离子束。此离子源小于 10 nm、能量分散约为 4.5 eV、亮度约为 106 A/cm2.sr，因此可以用来做为很精确的纳米结构加工工具，也可称之为纳米雕刻刀。
聚焦离子束显微镜的系统，是由液态离子源、聚焦与扫描透镜、样品移动平台、反应气体喷嘴及信号侦测器所组成。透过此系统，我们可以做选区的溅射来去除物质、金属的沉积与蚀刻、及绝缘层的沉积与蚀刻，因此也是微机电（MEMS）加工很好的工具平台。
除了单枪离子束之外，聚焦离子束显微镜上另外还可装设电子束系统，而形成所谓的双束聚焦离子显微镜（Dual Beam FIB），也就是同时具备了扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）及聚焦离子束显微镜于一身，可以用电子束来寻找目标区及观察影像，而离子束做精密切割目标区，不会破坏其他样品结构；因此可以做到纳米等级的精确定位与切割，以及TEM试样薄片制作。
FIB设备的具体应用可大致分类为：
- 积体电路的线路编修
- 定点剖面与SEM观察
- 离子穿隧影像对比（Ion Channeling Contrast）
- 穿透式电子显微镜（TEM）试片制备
图1 聚焦离子束显微镜
(a) 液态金属离子源
(b) 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
(c) 双束系统，匯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，当首批晶片出厂时，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，这个作法所需的经费更是急遽的增加。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。
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正面编修
是由积体电路的最上层开始施工至下层金属层的编修位置，也就是需挖过保护层及上层的金属导线层到欲编修位置，下方图2即为正面电路编修的步骤范例。 -
背面编修
是由硅晶片底部开始施工至编修位置，也就是需挖穿硅基板及/或下层的金属导线层到欲编修位置，图3为背面电路编修的范例。
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，则用鎵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。
(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。
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图4 (a) 以FIB制作横截面试样的程序示意图
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图5 (b) 9层金属制程的IC以FIB定点横截面切割后之横截面SEM影像
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。
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着的明暗对比，这就是所谓的离子通道对比效应，如图6所示。
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。
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图8 (a) 预先薄化法 (Pre-Thin)
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(b) 预先薄化法 (Pre-Thin)
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 试片的制作都是採用这个方法，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，因此无法保証试片的最佳品质，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，可以一再的重覆进出 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採用此法。
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
