元器件可靠性領(lǐng)域中的 FIB 技術(shù)

在當(dāng)今的科技時(shí)代，元器件的可靠性至關(guān)重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外元器件級(jí)可靠性質(zhì)量保證技術(shù)涵蓋了眾多方面，包括元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)、破壞性物理分析（DPA）、結(jié)構(gòu)分析（CA）、失效分析（FA）以及應(yīng)用驗(yàn)證等。其中，結(jié)構(gòu)分析作為一種近年來逐漸推廣的新型技術(shù)，能夠從材料和生產(chǎn)工藝等多個(gè)層面深入剖析元器件，為確保元器件的可靠性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

而聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡(jiǎn)稱 FIB）技術(shù)作為一種新興的微分析和微加工技術(shù)，在元器件可靠性領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為提升元器件的可靠性提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

FIB 技術(shù)簡(jiǎn)介

聚焦離子束技術(shù)，英文全稱為 Focused Ion Beam，簡(jiǎn)稱 FIB。它是一種利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的離子束來轟擊材料表面，從而實(shí)現(xiàn)材料的剝離、沉積、注入、切割和改性等一系列操作的先進(jìn)技術(shù)。FIB 技術(shù)堪稱微觀世界的納米“雕刻師”，憑借其高度集中的離子束，在納米尺度上能夠施展加工、分析與成像的精湛技藝。

以鎵離子源為核心，F(xiàn)IB 技術(shù)通過精確調(diào)控離子束與樣品表面的相互作用，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的精細(xì)操作。隨著納米科技的飛速發(fā)展，納米尺度制造業(yè)也迅速崛起，而納米加工作為納米制造業(yè)的核心部分，聚焦離子束技術(shù)成為了其中的代表性方法。近年來，F(xiàn)IB 技術(shù)利用高強(qiáng)度聚焦離子束對(duì)材料進(jìn)行納米加工，并配合掃描電鏡（SEM）等高倍數(shù)電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察，已經(jīng)成為納米級(jí)分析、制造的主要方法之一。目前，它已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路修改、離子注入、切割和故障分析等多個(gè)領(lǐng)域。

FIB 技術(shù)的基本構(gòu)成

1.離子源

液態(tài)金屬離子源是 FIB 系統(tǒng)的核心部件，其中液態(tài)鎵離子源最為常見。鎵金屬在加熱至熔融狀態(tài)后，會(huì)形成尖銳的發(fā)射極。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，鎵原子會(huì)逐個(gè)或少量地被抽取出離子，進(jìn)入加速電場(chǎng)區(qū)域。數(shù)千伏特的加速電壓賦予離子足夠的動(dòng)能，使其具備撞擊樣品、誘發(fā)物理效應(yīng)的能力。這種高能離子束是 FIB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)微觀加工的基礎(chǔ)。

2.加速與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

加速后的離子束并不會(huì)直接作用于樣品，而是要經(jīng)過一系列電磁透鏡的聚焦。這些透鏡如同微調(diào)工具，能夠?qū)㈦x子束細(xì)化、集中，使其直徑可在幾納米至幾百納米之間靈活變化，從而達(dá)到納米級(jí)操作精度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板上的電壓或電流，引導(dǎo)離子束沿預(yù)設(shè)軌跡掃描樣品區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子束方向的靈活操控，確保其能精準(zhǔn)定位至樣品表面的任意位置。這種精準(zhǔn)操控能力是 FIB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵所在。

3.樣品室與檢測(cè)系統(tǒng)

樣品室負(fù)責(zé)承載待測(cè)試樣品，內(nèi)部維持著極高的真空度，通常在 10?? Torr 甚至更高。這種高真空環(huán)境可有效避免空氣分子對(duì)離子束的干擾，確保離子束的品質(zhì)和穩(wěn)定性。檢測(cè)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)收集由離子束與樣品交互產(chǎn)生的信號(hào)，如二次離子、二次電子等，為后續(xù)的分析和研究提供重要數(shù)據(jù)。

FIB 技術(shù)的工作原理

聚焦離子束技術(shù)是一種基于離子束加工和分析的先進(jìn)技術(shù)。其核心原理是利用液相金屬離子源（LMIS）產(chǎn)生的鎵（Gallium，Ga）離子束，在外加電場(chǎng)的作用下，通過聚焦和調(diào)節(jié)離子束的大小和能量，對(duì)樣品進(jìn)行微納米級(jí)的加工和分析。FIB 技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)材料的微分析，還能用于透射電子顯微鏡（TEM）樣品的制備和納米器件的加工。

雙束 FIB 系統(tǒng)由掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束兩部分組成。與傳統(tǒng)的單束 FIB 相比，雙束 FIB 增加了掃描電子顯微鏡功能，能夠在加工后及時(shí)觀察樣品，并對(duì)失效器件進(jìn)行原位分析。這種系統(tǒng)能夠快速定位缺陷部位，還能進(jìn)行高效的樣品制備，幫助客戶減少樣品制備時(shí)間，并且不會(huì)引入新的失效模式，極大地提高了工作效率和分析的準(zhǔn)確性。

FIB 技術(shù)的微觀運(yùn)作機(jī)制

1.離子束的生成與加速

液態(tài)鎵離子源在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，從發(fā)射極尖端逐個(gè)抽取鎵離子。這些離子進(jìn)入加速電場(chǎng)區(qū)域后，會(huì)獲得數(shù)千伏特的加速電壓賦予的高動(dòng)能，為后續(xù)撞擊樣品、誘發(fā)物理效應(yīng)做好準(zhǔn)備。

2.離子束的聚焦與掃描

加速后的離子束經(jīng)過電磁透鏡的聚焦，其直徑可以靈活變化，達(dá)到納米級(jí)精度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板的電壓或電流，引導(dǎo)離子束沿預(yù)設(shè)軌跡掃描樣品區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與操作。

3.離子束 - 樣品交互作用

當(dāng)聚焦后的離子束照射到樣品表面時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)交互作用。這些交互作用包括離子束與樣品原子的碰撞、能量傳遞、原子濺射、二次電子和二次離子的產(chǎn)生等。

FIB 技術(shù)的應(yīng)用前景

聚焦離子束技術(shù)在元器件可靠性領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，F(xiàn)IB 技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在半導(dǎo)體制造中，F(xiàn)IB 技術(shù)可用于芯片的快速原型制作、缺陷修復(fù)和納米尺度的電路修改，提高芯片的性能和可靠性。在材料科學(xué)中，F(xiàn)IB 技術(shù)可用于制備高質(zhì)量的透射電子顯微鏡樣品，幫助研究人員深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。為了方便大家對(duì)材料進(jìn)行深入的失效分析及研究，

結(jié)語(yǔ)

聚焦離子束技術(shù)作為一種先進(jìn)的微分析和微加工技術(shù)，在元器件可靠性領(lǐng)域以及其他眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。其高度集中的離子束能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)精確的加工、分析與成像，為微觀世界的探索和改造提供了有力的工具。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，F(xiàn)IB 技術(shù)必將在未來的科技發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用，為人類創(chuàng)造更多的科技成果和應(yīng)用價(jià)值。