芯片厂必备检测仪器-聚焦离子束（FIB）介绍

1、简介

新材料、结构和系统的微型化到原子尺度已经需要用到电子显微镜，其中透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜 (SEM)、聚焦离子束 (FIB) 和原子力显微镜 (AFM) 可被视为对不同材料种类进行高级和精确分析的最全面的技术。聚焦离子束显微镜因其多功能性和配置灵活性而变得越来越流行，因为许多任务实际上可以用一个工具来执行。目前，许多尖端的集成显微镜系统通过使用与相关设备耦合的相关工具和附件的功能，最佳候选者是双光束（也称为双光束或多光束）平台。

图 2。

2. FIB技术基础

2.1. 聚焦离子束和 FIB/SEM 平台

FIB 系统与 SEM 非常相似，唯一的区别是使用离子束而不是电子束扫描样品表面。在 FIB 系统中，金属离子的聚焦束由液态金属离子源 (LMIS) 生成。LMIS 能够提供直径约为 5 nm 的离子源，典型的 LMIS 包含一个钨 (W) 针，该针连接到装有金属源材料的储层上。有几种金属元素或合金源可用于 LMIS。其中，商用 FIB 仪器通常首选镓 (Ga + )，可以通过调整孔径、调整所有透镜以及对光束进行最终设置（例如消散器和焦点校正）来实现最佳离子探针。放置在 FIB 系统中的圆柱形八极透镜具有多种用途，包括光束偏转、对准和像散校正 。在 SEM 和 TEM 系统中，磁性镜片用于聚焦光束。因为离子质量大而且它们以低得多的速度运动，它们的洛伦兹力较低，并且磁透镜对离子的效果不如在相同加速电压下对电子的效果。因此，FIB 柱配备静电透镜而不是磁性透镜。

图 3。

2.3. FIB的基本应用

2.3.1. 离子铣削

离子铣削作为 FIB 系统的基本应用，是种连续溅射过程，发生在离子束暴露在样品上的过程中。铣削实际上是一种原子碰撞过程，最终会从离子-样品相互作用体积中去除材料，主要取决于过程中使用的束电流和电压。

2.3.2. 沉积

沉积是 FIB 技术第二强大的功能，因为离子或电子束可用于沉积系统，允许添加材料而不是去除材料。沉积材料通常由内部气体输送系统提供，该系统通过气体注入系统 (GIS) 局部释放靠近表面冲击点的化合物，化学气体化合物通常为前体形式，由有机金属分子组成。当这种化合物暴露在预定区域时，光束会局部分解分子并将几乎纯净的材料沉积到表面上。

通常前体分子的分解不是百分百的，因此一些额外的基质分子（例如，有机残留物）也与转移的材料一起沉积。因此，与化学气相沉积 (CVD) 或物理气相沉积 (PVD) 等其他沉积技术相比，沉积物的纯度较低。双光束平台中用于光束诱导沉积的材料由其不同的气体化学性质决定，几种前体气体由用于沉积 Pt、W、SiO 2, 和 C 由不同的制造商和供应商提供。

3. 基于 FIB 的常规和新工艺

3.1. TEM 样品制备

双光束仪器最重要的应用之一是制备用于透射电子显微镜的样品，由于受控离子铣削能力，双光束仪器的一项重要功能是生产电子透明的超薄均匀薄片，因此可用作 TEM 样品。下面列出了使用 FIB 进行 TEM 样品制备的优点：TEM 薄片可以从任何感兴趣区域进行特定位置的准备，空间精度高达 ≈30 nm。与其他技术（切片术、低能离子铣削、凹陷等）相比，特定部位和超薄样品的制备过程的持续时间相当短，从非复杂结构的不到 1 小时到 4-5 小时不等用于具有挑战性的标本。

3.2. 串行切片和成像

3.3. 3D 微观结构表征和 FIB 层析成像

3.4. 微纳米加工、微纳米修饰等应用

除了上述应用之外，双光束平台在小尺度上的结构化能力主要分为两大类：一是制造和加工，而另一个是快速成型或者修改使用基于离子和电子束的处理的结构和设备的能力。对于前者，FIB 用于制备由于材料或几何形状限制而难以使用传统工艺形成的结构。后者，当使用 FIB 时，可以比传统路线以更实用、更省时的步骤进行处理。可以铣掉宽度低至 10 nm 的线，并通过有机金属前体的分解沉积小至 30 nm 的材料。最细的离子束光斑尺寸约为 5–10 nm，可以对小特征进行图案化，而 FIB 切割的形状取决于许多因素，例如其几何形状、铣削深度、离子束轮廓和溅射的再沉积材料。

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3.5. 用于 TEM 层析成像的特殊样品设计