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聚焦离子束显微镜（Focus Ion Beam Microscope, FIB）是利用质量比电子大上许多的镓（Ga）或是氙（Xe）离子，在试片上选择的位置，以轰击（bombardment）或喷溅（sputtering）进行选择性研磨（selective milling），来达到定点加工及切割试片的目的。 |
自从 FIB加装了扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope， SEM)的电子枪，成为同时具备离子束切割及电子束观察的双束系统(Dual-Beam System 或称 DB-FIB System)，「即切即看」的便利性缩短了试片定点制备到观察之间等待及找寻位置的时间，大幅提升试片的分析时效而受到欢迎。
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双束系统聚焦离子束显微镜 |
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高级分析第一式 | I-Beam View — 试片表面的晶格界面显而易见 |
由于离子与电子都属于带电粒子，可以藉由电磁透镜聚焦，因此使用聚焦离子束扫描试片表面，就能像 SEM 一样进行成像，进而观察试片表面的形貌。 只要调整入射离子的能量，让离子束与试片表面不同材料或区域晶格的隧道效应(Tunneling)程度造成差异，形成不同的成像对比，就能达到观察试片表面晶格 晶界(GrainBoundary)的目的。
下图为 I-beam View 与 E-beam View 对于观察铜晶格影像的效果差异。 I-beam View图像是经由离子束扫描的铜晶格成像，晶格晶界(Grain Boundary)清楚可见;对比之下，以 SEM 扫描的 E-beam View 影像上的晶格晶界就没有那么清楚了。
I-beam View |
E-beam View |
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高级分析第二式 | 辅助性气体蚀刻 —微蚀试片表面差异再强化 |
除了切割试片及获得图像的功能之外，聚焦离子束显微镜还有一个非常强大的功能「FIB电路修补」(FIB Circuit Repair or FIB-CKT)，特别是IC 设计业常运用在电路设计变更的先期验证阶段，减少重新制作新版光刻版的研发成本。
原理是藉由在试片表面通入有机先驱(precursor)气体，再用离子束对准轰击将先驱物的有机键结打断，产生金属沉积而形成导线，达到电路修补的需求。 详细的技术原理及分析应用实例，欢迎点击【FIB技术原理】深入了解唷！
再回头来说，通入聚焦离子束显微镜的气体除了用于沉积导线的有机金属络合物之外，也可以通入其他具有腐蚀性的辅助蚀刻气体(例如：I2、XeF2 等)，虽然通入这些腐蚀气体的原意是为了提高电路修补时金属或氧化物的刻蚀率，但是我们也可以在切出 IC 组件的横截面后，通入具有选择性蚀刻特性的气体，在试片表面进行微蚀，产生类似 Junction Staining(结面染色)的效果，强化影像的对比。
下图显示了辅助性气体蚀刻藉由微蚀试片表面来强化目标位置的差异，试片表面在经过辅助性气体XeF2的选择性蚀刻，将多晶硅(Poly-Silicon)移除之后，能够更清楚观察到目标区域的结构;藉由同样的机制， 也可以选择其他对金属或氧化物具有高选择性的气体，来加深目标区域的对比性。 这样的处理方式在失效分析(Failure Analysis)观察目标结构细微差异的时候非常有帮助。
刻蚀处理前 |
经过 XeF2 气体微蝕多晶硅区域 |
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高级分析第三式 | 消除幕帘现象— 降低图像判读上的恼人困扰 |
「幕帘现象 Curtain Effect」是指经过 FIB 切削之后，在试片横截面的下半部出现与离子入射方向平行的条纹(如下图左)，这是由于切削面上方的不同材料(例如金属及氧化层)受到离子切削的刻蚀率不均而影响产生。 这类具特定方向性的条痕，除了不美观之外，有时也会造成判读上的困扰，因此需要加以消除。
 幕帘现象（Curtain Effect）可经由调控离子剂量等参数来消除 |
常见的改善方式有以下几种：
- 直接避开离子蚀刻率不均的区域：如果能够选择位置，尽量避开图形密区(Dense Area)、选择疏区(Iso Area)
- 在试片表面增加保护层：透过在表面增加一层致密保护层，降低离子束直接切在不同材料上时蚀刻率不均的因素
- 改变聚焦离子的刻蚀率（Milling Rate）：尽量根据不同材料选择适切的刻蚀率做弹性调整，常见的切削材质及对应蚀刻率可参考下表
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高级分析第四式 ｜ 讯号解读要小心 － 别被切削喷溅及回填蒙蔽了双眼 |
当FIB 切削面上涵盖了空洞或脱层(Delamination)这类没有材料填充的隙缝时，空洞附近的材料常因为切削被喷溅起来(Re-Sputtering)而回填( Re-Deposition)到空洞里，使得在空孔的边缘也能观察到一层相同成份的残留物。
例如下图左是一个具有空孔结构切削面试片，空孔上方的镓(Ga)(下图中)以及空孔下方的铜(Cu) (下图右) 都因为切削时的回填而堆积在空孔周围，若不小心解读，可能因此误解这些材料是原本就存在， 进而推论出错误的分析结果。
这些回填到空孔里的讯号，需要由有经验的工程师来审慎检视，并适当地予以滤除;有时也可以预先在空洞填入胶材，或是填入与目标物成分差异明显的已知材料，再来进行 FIB 切削，就可以事先避免因切削造成的回填效应影响判读。
 試片橫截面上的空孔边緣的切削噴濺回填效应 |
如果以各种不同的试片制备及观察工具来比较，聚焦离子束显微术就像是精细的微创手术，只在试片上的目标位置执行制备及观察，保有试片最大的完整性，是送件率非常高的分析技术。
希望藉由此篇所传授的 FIB 进阶分析四招式，帮助各位更加善用聚焦离子束显微技术，精准有效地解决分析需求！
