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當前，國內外元器件級可靠性質量保證技術主要包括元器件補充篩選試驗、破壞性物理分析（DPA）、結構分析（CA）、失效分析（FA）以及應用驗證等。其中，結構分析是近年來逐漸推廣的新型技術，它可以從材料和生產(chǎn)工藝等方面對元器件進行深入分析，為元器件的可靠性提供重要保障。而近年來，“聚焦離子束”（FIB）這種技術作為一種新型的微分析和微加工技術，在元器件可靠性領域得到了廣泛應用，為提高元器件的可靠性提供了重要的技術支持。

一、FIB技術的簡介

聚焦離子束技術，其英文全稱為：Focused lon beam，簡稱：FlB，它是利用電透鏡將離子東聚焦成非常小尺寸的離子東轟擊材料表面，實現(xiàn)材料的剝離、沉積、注入、切割和改性?？梢哉f，“聚焦離子束技術”堪稱微觀世界的納米“雕刻師”，因憑借其高度集中的離子束，在納米尺度上施展著加工、分析與成像的精湛技藝。FIB 技術以鎵離子源為核心，通過精確調控離子束與樣品表面的相互作用，實現(xiàn)納米級的精細操作。

隨著納米科技的發(fā)展，納米尺度制造業(yè)發(fā)展迅速，而納米加工就是納米制造業(yè)的核心部分，納米加工的代表性方法就是聚焦離子束。近年來發(fā)展起來的聚焦離子束技術(FIB)利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，配合掃描電鏡(SEM)等高倍數(shù)電子顯微鏡實時觀察，成為了納米級分析、制造的主要方法。目前已廣泛應用于半導體集成電路修改、離子注入、切割和故障分析等。

二、FIB技術的基本構成

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，形成尖銳的發(fā)射極。在強電場作用下，鎵原子逐個或少量地被抽取出離子，進入加速電場區(qū)域。數(shù)千伏特的加速電壓賦予離子足夠的動能，使其具備撞擊樣品、誘發(fā)物理效應的能力。這種高能離子束是 FIB 技術實現(xiàn)微觀加工的基礎。

2、加速與偏轉系統(tǒng)

加速后的離子束并非直接作用于樣品，而是要經(jīng)過一系列電磁透鏡的聚焦。這些透鏡如同微調工具，將離子束細化、集中，使其直徑可在幾納米至幾百納米間靈活變化，達到納米級操作精度。偏轉系統(tǒng)則通過調節(jié)偏轉板上的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區(qū)域，實現(xiàn)對離子束方向的靈活操控，確保其能精準定位至樣品表面的任意位置。這種精準操控能力是 FIB 技術實現(xiàn)復雜微觀結構加工的關鍵。

3、樣品室與檢測系統(tǒng)

樣品室負責承載待測試樣品，內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離子束的干擾，確保離子束的品質和穩(wěn)定性。檢測系統(tǒng)負責收集由離子束與樣品交互產(chǎn)生的信號，如二次離子、二次電子等。

三、FIB技術的工作原理

聚焦離子束技術是一種基于離子束加工和分析的先進技術。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，在外加電場的作用下，通過聚焦和調節(jié)離子束的大小和能量，對樣品進行微納米級的加工和分析。FIB技術不僅可以實現(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，能夠在加工后及時觀察樣品，并對失效器件進行原位分析。金鑒實驗室的雙束FIB系統(tǒng)不僅能夠快速定位缺陷部位，還能進行高效的樣品制備，幫助客戶減少樣品制備時間，并且不會引入新的失效模式。

四、FIB技術的微觀運作機制

1、離子束的生成與加速

液態(tài)鎵離子源在強電場作用下，從發(fā)射極尖端逐個抽取鎵離子。這些離子進入加速電場區(qū)域，獲得數(shù)千伏特的加速電壓賦予的高動能，為后續(xù)撞擊樣品、誘發(fā)物理效應做好準備。

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，直徑可靈活變化，達到納米級精度。偏轉系統(tǒng)通過調節(jié)偏轉板的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區(qū)域，實現(xiàn)精準定位與操作。

3、離子束 - 樣品交互作用

蝕刻原理：高能離子束撞擊樣品時，離子將高動能傳遞給樣品原子，導致這些原子被高速彈出樣品表面，實現(xiàn)材料的精密去除。

沉積技術：通過向樣品室內引入特定氣體前驅體，在離子束轟擊下，氣體分解并在樣品表面形成均勻薄膜沉積。這種方法可用于修補電路、創(chuàng)建導電連接或制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品支架，為微觀加工提供了更多的可能性。

成像機制：離子束與樣品相互作用時，會激發(fā)出二次電子、背散射離子等信號。通過檢測這些信號，可獲取樣品表面形貌的詳細信息，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。結合 SEM 功能的雙束系統(tǒng)，成像質量可進一步提升。

五、FIB技術的主要功能

1、蝕刻

FIB 利用高能離子束的物理濺射效應，可在納米尺度上進行極其精細的切割、鉆孔或雕刻。它廣泛應用于微電子器件的制造和修復，如定位并切除有問題的電路部分，以便進一步分析故障原因。

2、沉積

FIB 不僅能移除材料，還能在特定位置沉積新材料。通過引入氣體前驅體，在離子束作用下分解并形成薄膜沉積。這種方法可用于修補損壞的電路、創(chuàng)建導電連接或制備 TEM 樣品支架，為納米制造提供了更多可能性。

3、成像

離子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號可被收集并轉換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然 FIB 的成像分辨率略低于 SEM，但它可以在加工前后立即對結果進行檢查?，F(xiàn)代 FIB 設備常結合 SEM 形成“雙束”系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率成像與精準 FIB 加工的完美結合。

4、斷層掃描與三維重建

通過一系列薄切片的連續(xù)截面圖像，F(xiàn)IB 可構建出樣品內部結構的三維模型。

5、TEM 樣品制備

FIB 能從塊狀材料中提取厚度僅為數(shù)十納米的薄片，這些薄片足夠透明以供 TEM 觀察內部結構。對于硬質或脆性材料，F(xiàn)IB 是制備 TEM 樣品的理想選擇，傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)如此精細的樣品制備。這種能力使得 FIB 技術在材料科學和生物學研究中具有重要的應用價值。

6、納米操縱與組裝

利用 FIB 可實現(xiàn)對單個納米粒子或納米線的操作，如移動、焊接或切割。

7、材料改性

FIB 可用于改變材料的表面特性，例如通過局部摻雜或改變化學成分來調整其電學、光學或其他物理性質。這種表面處理能力為開發(fā)新材料、優(yōu)化材料性能提供了新的途徑。

六、FIB技術的優(yōu)點

1、高精度

FIB 技術能夠實現(xiàn)納米級別的加工精度，這對于現(xiàn)代高度集成的芯片來說極為重要。芯片上的微小結構和復雜的電路布局需要極高的加工精度來確保修改和修復的準確性。

2、多功能性

單一設備即可實現(xiàn)蝕刻、沉積及成像等多種功能，有效簡化了處理流程。

3、快速原型制作

FIB技術可以根據(jù)不同的需求進行各種加工和分析操作，無論是電路修改、故障分析還是結構分析，都能提供靈活的解決方案。在芯片調試過程中，時間往往非常緊迫，F(xiàn)IB技術的快速響應能力使其能夠及時為問題的解決提供支持，滿足芯片調試的高效需求。

4、局部化處理

能夠針對特定區(qū)域實施精確作業(yè)，而對周圍環(huán)境保持無影響。

5、材料改性

通過改變材料表面特性，實現(xiàn)材料性能的顯著提升與改良。

6、TEM 樣品制備

是制備硬質或脆性材料 TEM 樣品的理想選擇。

7、雙束系統(tǒng)

與 SEM 結合的雙束系統(tǒng)，不僅提升了工作效率，還實現(xiàn)了即時檢查結果的便利性。

8、非接觸式

與傳統(tǒng)的機械加工方法不同，F(xiàn)IB 是一種非接觸式加工技術。它不會對芯片造成機械損傷，從而更好地保護芯片的完整性和性能。這對于芯片這種高精度、高價值的電子產(chǎn)品來說尤為重要，因為任何機械損傷都可能導致芯片性能下降甚至報廢。

七、FIB技術的應用

1、在可靠性中的應用

（1）原位失效分析

FIB技術在失效分析中的應用是其最為重要的功能之一。通過掃描電子顯微鏡對樣品進行高分辨率表征和精確定位，F(xiàn)IB可以定點加工出光滑的截面，從而實現(xiàn)對失效點的原位觀察和分析。與傳統(tǒng)的失效分析技術相比，F(xiàn)IB技術能夠提供更為精確的失效部位信息，幫助工程師快速定位問題并采取相應的改進措施。

（2）TEM樣品制備

在材料微分析領域，TEM樣品的制備是研究材料微觀結構和性能的重要手段。傳統(tǒng)的TEM樣品制備技術主要依賴于機械研磨拋光和離子減薄技術，但這種方法存在諸多局限性，如樣品表面易受污染、制備重復性低、難以加工脆性材料以及制備時間長等。

此外，F(xiàn)IB技術能夠實現(xiàn)樣品的快速制備，大大縮短了制備時間。研究表明，采用FIB技術制備的TEM樣品，其厚度可以達到幾十納米，且非晶化損傷可以控制在極低水平，從而為高精度的材料分析提供了保障。

（3）納米器件加工

FIB技術不僅在分析領域表現(xiàn)出色，還在納米器件加工中展現(xiàn)出了巨大的潛力。作為一種新型的微加工技術，F(xiàn)IB能夠實現(xiàn)高精度的納米結構加工，為新型納米器件的研發(fā)提供了有力支持。

2、在微電子工業(yè)的應用

（1）故障分析與修復

在半導體行業(yè)中，F(xiàn)IB技術被廣泛用于故障定位與分析。當集成電路（IC）出現(xiàn)故障時，F(xiàn)IB可以通過高精度的離子束對芯片進行局部切割和移除，從而暴露出故障區(qū)域，以便進一步分析故障原因。例如，在PCB和IC載板行業(yè)，F(xiàn)IB技術常用于盲孔底部分析和異物分析，確保電路板和集成電路的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，F(xiàn)IB技術還能夠用于電路修復。通過濺射或沉積功能，F(xiàn)IB可以在納米尺度上對電路進行修改和優(yōu)化。例如，在電路設計過程中，如果需要對成品進行修改，F(xiàn)IB可以通過沉積金屬或絕緣材料來修復損壞的電路，或者創(chuàng)建新的連接。這種靈活性顯著降低了研發(fā)成本，加快了研發(fā)速度。

（2）掩膜版修復

在光刻過程中，掩膜版的精度直接影響到芯片制造的質量。然而，掩膜版在使用過程中可能會出現(xiàn)缺陷或損壞。FIB技術可以對掩膜版進行精確修復，通過離子束的蝕刻和沉積功能，去除缺陷部分并填補缺失部分。這種方法不僅減少了重新制作掩膜的成本和時間，還提高了掩膜版的使用壽命。

3、在芯片調試中的應用

（1）電路修改與修復

在芯片設計和制造過程中，由于種種原因可能會出現(xiàn)設計錯誤或制造缺陷。FIB 技術能夠對芯片電路進行精細的修改和修復。通過切斷錯誤的金屬連接線，并重新建立正確的連接，F(xiàn)IB 可以快速糾正信號線連接錯誤等問題。

對于早期的樣品或工程樣機，F(xiàn)IB 技術無需重新制造芯片，即可進行快速的電路修改和驗證，大大縮短了芯片的調試周期，提高了研發(fā)效率。

（2）故障分析與定位

發(fā)生故障時，F(xiàn)IB 技術能夠通過逐層切割和高分辨率觀察，快速定位故障點。無論是短路、開路還是其他電氣故障，F(xiàn)IB 都可以通過精確的切割和分析，幫助工程師找到問題的根源。例如，對于懷疑出現(xiàn)故障的晶體管，F(xiàn)IB 可以切割其周圍區(qū)域，結合電子顯微鏡進行觀察，從而確定故障的具體原因。這種能力對于快速解決芯片故障、優(yōu)化設計和提高產(chǎn)品質量至關重要。

八、FIB技術未來的發(fā)展趨勢

隨著芯片技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)IB技術也在持續(xù)進步。未來，F(xiàn)IB技術有望更加自動化和智能化，降低操作難度和成本，從而進一步擴大其在芯片調試領域的應用范圍。所以在其未來發(fā)展趨勢上可以有以下幾個方面：

1、技術創(chuàng)新與突破

未來五年，F(xiàn)IB系統(tǒng)行業(yè)將呈現(xiàn)技術創(chuàng)新不斷突破的趨勢，新型聚焦離子束設備的研發(fā)將成為行業(yè)重點。隨著納米技術的不斷進步，F(xiàn)IB系統(tǒng)的分辨率和精度將進一步提升，能夠實現(xiàn)對材料的更精準操控。

2、跨學科融合

FIB技術涉及物理學、材料科學、電子工程等多個學科領域，其應用領域也在不斷拓展。例如，在生物醫(yī)學領域，F(xiàn)IB技術在基因編輯、細胞切割等方面的應用正逐漸成為研究熱點。同時，F(xiàn)IB系統(tǒng)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術的結合，將進一步提升系統(tǒng)的智能化水平，推動行業(yè)向更高層次發(fā)展。

3、應用領域的擴展

隨著新材料如二維材料、納米材料等的不斷涌現(xiàn)，F(xiàn)IB技術對這些新材料的精確加工需求也在增長。此外，半導體行業(yè)對FIB系統(tǒng)的需求不斷增長，特別是在5G、人工智能等新興領域的應用需求日益旺盛。

4、市場競爭與整合

國內外市場競爭日益激烈，行業(yè)整合加速。制造商使用FIB系統(tǒng)來測試和分析不同組件或設備的性能，推動了電子和半導體行業(yè)對FIB工藝的需求增加。

5、政策支持與市場前景

在國家政策支持下，我國FIB系統(tǒng)行業(yè)取得了顯著成果。例如，中國科學院合肥物質科學研究院自主研發(fā)的聚焦離子束設備成功應用于我國首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的微納加工，標志著我國在高端FIB技術領域取得了重要突破。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長和產(chǎn)業(yè)升級，F(xiàn)IB系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展前景廣闊。

6、市場運營態(tài)勢

2025年，中國FIB系統(tǒng)市場運營態(tài)勢呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。一方面，隨著5G、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對FIB系統(tǒng)的需求不斷上升，推動了市場規(guī)模的擴大。另一方面，市場競爭日益激烈，國內外企業(yè)紛紛加大研發(fā)投入，推出具有更高性能、更低成本的產(chǎn)品，以搶占市場份額。

最后想說的話

FIB技術在未來將繼續(xù)朝著更高精度、更高效率、更廣泛應用領域和更激烈的市場競爭方向發(fā)展。技術創(chuàng)新、跨學科融合、政策支持以及市場需求的增長將共同推動這一技術的不斷進步和廣泛應用。

同時，最主要的是：FIB 技術與其他先進技術的結合也將為半導體芯片調試提供更強大的工具。例如，與電子束光刻技術、納米材料合成技術等的結合，將為半導體芯片制造和調試帶來更多的可能性，可以推動半導體芯片技術向更高性能、更小尺寸的方向發(fā)展。

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審核編輯 黃宇