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FIB

技术原理

聚焦离子束显微镜 (Focused Ion Beam, FIB)

聚焦离子束显微镜是运用镓 (Ga) 金属来做为离子源，因为镓的熔点为 29.76°C，且在此时的蒸气压为 «10-13 Torr，所以很适合在真空下操作。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。所以可以用来做为很精确的奈米结构加工的工具，所以也可称之为奈米雕刻刀。

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，所以也是微机电 (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，因此可以做奈米级精确的位置定位与切割，及奈米级的TEM试样薄片制作。

分析应用

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

实际应用1 线路修补 (Circuit Editing)

在积体电路产品开发时，当首批晶片出厂时，若电路上有设计错误或功能不正常时，就需要透过线路修改来验证电路设计。

在早期，需要修改光罩与重新投片来进行电路修改与验证，这是费时又耗财的。

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。

所以可以在极低费用下，快速地提供电路的编修，或光罩修补，加快产品的验证。

所以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、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，图2为正面电路编修的步骤范例。

二、背面编修

是由矽晶片底部开始施工至编修位置，也就是需挖穿矽基板及/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、电容制作及电阻制作。

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。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。

而铜的蚀刻，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。

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

(d) Pt连线

(e) M2切断 (完工后结果)

图-3 背面电路编修的俯视与侧视图

(a) 背面编修形成点针垫 (probe pad) 来测电路信号

(b) 背面编修样品横截面的示意图

针对前瞻制程的积体电路，由于线宽即线距的微小化，造成FIB电路编修的困难，因应此一难题，有下列几个方向来克服：

系统性能的提升，这包括：样品台移动的精确度与稳定度、离子束的大小与稳定度、信号侦测器的性能与摆放位置及气体喷嘴的样式与位置控制等。
蚀刻与沉积反应气体的开发，以提供高深宽比的深井开挖，及均匀沉积的高阻值绝缘层与低阻值金属层。
如何降低电荷的累积，以避免造成积体电路的损坏。

实际应用2 横截面结构观察

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。

图-4 (a) 以FIB制作横截面试样的程序示意图

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

实际应用3 离子通道式影像对比 (Ion Channeling Contrast)

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，因而有较多的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强。

因此所获得的影像会有显著生明暗对比，这就是所谓的离子通道对比效应，如图6所示。

图-6 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+")

离子通道影像对比效应可以清楚显示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，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可以透露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。

图-7 (a) 锡球横截面的光学影像；(b) 锡球的FIB离子通道影像

实际应用4 TEM试片制备 (Pre-Thin, Lift-out, Omni-probe)

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。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 m后，再用FIB减薄到可供TEM观察的0.1 m厚度。这个方法的优点是可得到非常大面积(~50 m)，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卷曲之虑，但是这个方法必须经研磨，再经FIB切割，因此比较费工、耗时，仍有研磨失败的风险。