芯片廠必備檢測(cè)儀器-聚焦離子束（FIB）介紹
1、簡(jiǎn)介
新材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的微型化到原子尺度已經(jīng)需要用到電子顯微鏡，其中透射電子顯微鏡 (TEM)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、聚焦離子束 (FIB) 和原子力顯微鏡 (AFM) 可被視為對(duì)不同材料種類進(jìn)行高級(jí)和精確分析的最全面的技術(shù)。聚焦離子束顯微鏡因其多功能性和配置靈活性而變得越來越流行，因?yàn)樵S多任務(wù)實(shí)際上可以用一個(gè)工具來執(zhí)行。目前，許多尖端的集成顯微鏡系統(tǒng)通過使用與相關(guān)設(shè)備耦合的相關(guān)工具和附件的功能，最佳候選者是雙光束（也稱為雙光束或多光束）平臺(tái)。
圖1。
具有多個(gè)附件的雙光束平臺(tái)示意圖
圖 2。
2. FIB技術(shù)基礎(chǔ)
2.1.?聚焦離子束和 FIB/SEM 平臺(tái)
FIB 系統(tǒng)與 SEM 非常相似，唯一的區(qū)別是使用離子束而不是電子束掃描樣品表面。在 FIB 系統(tǒng)中，金屬離子的聚焦束由液態(tài)金屬離子源 (LMIS) 生成。LMIS 能夠提供直徑約為 5 nm 的離子源，典型的 LMIS 包含一個(gè)鎢 (W) 針，該針連接到裝有金屬源材料的儲(chǔ)層上。有幾種金屬元素或合金源可用于 LMIS。其中，商用 FIB 儀器通常首選鎵 (Ga +?)，可以通過調(diào)整孔徑、調(diào)整所有透鏡以及對(duì)光束進(jìn)行最終設(shè)置（例如消散器和焦點(diǎn)校正）來實(shí)現(xiàn)最佳離子探針。放置在 FIB 系統(tǒng)中的圓柱形八極透鏡具有多種用途，包括光束偏轉(zhuǎn)、對(duì)準(zhǔn)和像散校正 。在 SEM 和 TEM 系統(tǒng)中，磁性鏡片用于聚焦光束。因?yàn)殡x子質(zhì)量大而且它們以低得多的速度運(yùn)動(dòng)，它們的洛倫茲力較低，并且磁透鏡對(duì)離子的效果不如在相同加速電壓下對(duì)電子的效果。因此，F(xiàn)IB 柱配備靜電透鏡而不是磁性透鏡。
圖 3。
圖 4。
圖 5。
雙光束平臺(tái)樣品室示意圖
圖 6
2.3.?FIB的基本應(yīng)用
2.3.1.?離子銑削
離子銑削作為 FIB 系統(tǒng)的基本應(yīng)用，是種連續(xù)濺射過程，發(fā)生在離子束暴露在樣品上的過程中。銑削實(shí)際上是一種原子碰撞過程，最終會(huì)從離子-樣品相互作用體積中去除材料，主要取決于過程中使用的束電流和電壓。
圖 7。
離子銑削的代表：無掩模光刻和納米結(jié)構(gòu)2.3.2.?沉積
沉積是 FIB 技術(shù)第二強(qiáng)大的功能，因?yàn)殡x子或電子束可用于沉積系統(tǒng)，允許添加材料而不是去除材料。沉積材料通常由內(nèi)部氣體輸送系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)通過氣體注入系統(tǒng) (GIS) 局部釋放靠近表面沖擊點(diǎn)的化合物，化學(xué)氣體化合物通常為前體形式，由有機(jī)金屬分子組成。當(dāng)這種化合物暴露在預(yù)定區(qū)域時(shí)，光束會(huì)局部分解分子并將幾乎純凈的材料沉積到表面上。
圖 8。
通過電子束誘導(dǎo)沉積 (EBID) 和離子束輔助沉積 (IBAD) 說明雙束儀器中的沉積過程通常前體分子的分解不是百分百的，因此一些額外的基質(zhì)分子（例如，有機(jī)殘留物）也與轉(zhuǎn)移的材料一起沉積。因此，與化學(xué)氣相沉積 (CVD) 或物理氣相沉積 (PVD) 等其他沉積技術(shù)相比，沉積物的純度較低。雙光束平臺(tái)中用于光束誘導(dǎo)沉積的材料由其不同的氣體化學(xué)性質(zhì)決定，幾種前體氣體由用于沉積 Pt、W、SiO 2, 和 C 由不同的制造商和供應(yīng)商提供。
圖 9。
氣體輔助沉積工藝示意圖3. 基于 FIB 的常規(guī)和新工藝
3.1.?TEM 樣品制備
雙光束儀器最重要的應(yīng)用之一是制備用于透射電子顯微鏡的樣品，由于受控離子銑削能力，雙光束儀器的一項(xiàng)重要功能是生產(chǎn)電子透明的超薄均勻薄片，因此可用作 TEM 樣品。下面列出了使用 FIB 進(jìn)行 TEM 樣品制備的優(yōu)點(diǎn)：TEM 薄片可以從任何感興趣區(qū)域進(jìn)行特定位置的準(zhǔn)備，空間精度高達(dá) ≈30 nm。與其他技術(shù)（切片術(shù)、低能離子銑削、凹陷等）相比，特定部位和超薄樣品的制備過程的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)短，從非復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不到 1 小時(shí)到 4-5 小時(shí)不等用于具有挑戰(zhàn)性的標(biāo)本。
圖 10。
3.2.?串行切片和成像
圖 11。
3.3.?3D 微觀結(jié)構(gòu)表征和 FIB 層析成像
3.4.?微納米加工、微納米修飾等應(yīng)用
除了上述應(yīng)用之外，雙光束平臺(tái)在小尺度上的結(jié)構(gòu)化能力主要分為兩大類：一是制造和加工，而另一個(gè)是快速成型或者修改使用基于離子和電子束的處理的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的能力。對(duì)于前者，F(xiàn)IB 用于制備由于材料或幾何形狀限制而難以使用傳統(tǒng)工藝形成的結(jié)構(gòu)。后者，當(dāng)使用 FIB 時(shí)，可以比傳統(tǒng)路線以更實(shí)用、更省時(shí)的步驟進(jìn)行處理。可以銑掉寬度低至 10 nm 的線，并通過有機(jī)金屬前體的分解沉積小至 30 nm 的材料。最細(xì)的離子束光斑尺寸約為 5–10 nm，可以對(duì)小特征進(jìn)行圖案化，而 FIB 切割的形狀取決于許多因素，例如其幾何形狀、銑削深度、離子束輪廓和濺射的再沉積材料。
圖?12
圖 13。
雙光束儀器執(zhí)行的納米結(jié)構(gòu)、納米制造和無掩模離子光刻示例3.5.?用于 TEM 層析成像的特殊樣品設(shè)計(jì)
圖 14。
