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聚焦離子束掃描電鏡（聚焦離子束掃描電鏡的維修）

發(fā)布時(shí)間：2023-04-19 01:53:50 稿源：創(chuàng)意嶺閱讀： 125

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本文目錄:

1、FIB是什么意思？應(yīng)用在哪些方面？
2、聚焦離子束的基本功能
3、聚焦離子束的工作原理
4、fib聚焦離子束和sem設(shè)備的區(qū)別

聚焦離子束掃描電鏡（聚焦離子束掃描電鏡的維修）

一、FIB是什么意思？應(yīng)用在哪些方面？

FIB(聚焦離子束，F(xiàn)ocused Ion beam)是將液態(tài)金屬(Ga)離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過離子槍加速,聚焦后照射于樣品表面產(chǎn)生二次電子信號(hào)取得電子像.此功能與SEM（掃描電子顯微鏡）相似,或用強(qiáng)電流離子束對(duì)表面原子進(jìn)行剝離,以完成微、納米級(jí)表面形貌加工.通常是以物理濺射的方式搭配化學(xué)氣體反應(yīng)，有選擇性的剝除金屬,氧化硅層或沉積金屬層。高性能聚焦離子束系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱FIB)具有許多獨(dú)特且重要的功能,已廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)上[1-6],其特性在于能將以往在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)及故障分析上許多困難、耗時(shí)或根本無法達(dá)成之問題一一解決。例如精密定點(diǎn)切面、晶粒大小分布檢測(cè)、微線路分析及修理等

二、聚焦離子束的基本功能

聚焦離子束顯微鏡的基本功能可概分為四種：

1. 定點(diǎn)切割(Precisional Cutting)-利用離子的物理碰撞來達(dá)到切割之目的。廣泛應(yīng)用于集成電路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。

2. 選擇性的材料蒸鍍(Selective Deposition)-以離子束的能量分解有機(jī)金屬蒸氣或氣相絕緣材料，在局部區(qū)域作導(dǎo)體或非導(dǎo)體的沉積，可提供金屬和氧化層的沉積(Metal and TEOS Deposition)，常見的金屬沉積有鉑(Platinum,Pt)和鎢(Tungstun,W)二種。

3. 強(qiáng)化性蝕刻或選擇性蝕刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-輔以腐蝕性氣體，加速切割的效率或作選擇性的材料去除。

4. 蝕刻終點(diǎn)偵測(cè)(End Point Detection)-偵測(cè)二次離子的訊號(hào)，藉以了解切割或蝕刻的進(jìn)行狀況。

在實(shí)際的應(yīng)用上，為了有效的搜尋故障的區(qū)域或外來掉落的材料碎屑、塵埃、污染粒子(Particles)等位置，離子束顯微鏡在外圍的控制系統(tǒng)上，可配備自動(dòng)定位導(dǎo)航系統(tǒng)或影像重疊定位裝置，當(dāng)生產(chǎn)線的缺陷檢視系統(tǒng)(Defect Inspection System)，例如:KLA或Tencor，發(fā)現(xiàn)制程異常時(shí)，可將芯片上缺陷的計(jì)算機(jī)檔案?jìng)魉偷阶詣?dòng)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，離子束顯微鏡即可迅速找尋缺陷的位置，并進(jìn)行切割動(dòng)作，確認(rèn)缺陷發(fā)生的層次，如此可避免芯片送出無塵室后與外界的灰塵混淆，達(dá)到 Off-line 找到的就是In-line 看到的精準(zhǔn)度，這種功能免除了工程師在試片制備上極大的困擾，同時(shí)節(jié)省了傳統(tǒng)機(jī)械研磨法中大量的人力與工時(shí)，加之也大大的提升了成功率。

在新型的聚焦離子束顯微鏡，目前已有雙束(Dual Beam)的機(jī)型(離子束+電子束)，在以離子束切割時(shí)，用電子束觀察影像，除了可避免離子束繼續(xù) 破壞現(xiàn)場(chǎng) 外，尚可有效的提高影像分辨率，同時(shí)也可配備X-光能譜分析儀或二次離子質(zhì)譜儀，作元素分析之用，多樣化的分析功能使得聚焦離子束顯微鏡的便利性及使用率大幅提升。

至于離子束顯微鏡在IC工業(yè)上的應(yīng)用，主要可分為五大類：1.線路修補(bǔ)和布局驗(yàn)證；2.組件故障分析；3.生產(chǎn)線制程異常分析；4.IC 制程監(jiān)控-例如光阻切割；5.穿透式電子顯微鏡試片制作。

在各類應(yīng)用中，以線路修補(bǔ)和布局驗(yàn)證這一類的工作具有最大經(jīng)濟(jì)效益，局部的線路修改可省略重作光罩和初次試作的研發(fā)成本，這樣的運(yùn)作模式對(duì)縮短研發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)程絕對(duì)有效，同時(shí)節(jié)省大量研發(fā)費(fèi)用。

當(dāng)我們欲進(jìn)行產(chǎn)品偵錯(cuò)或故障分析時(shí)，在沒有KLA或TENCOR等數(shù)據(jù)檔案(例如：GDSII file)數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于小尺寸的晶?；蛞呀?jīng)封裝后的產(chǎn)品，亦可利用附屬的影像重疊系統(tǒng)(Image Overlay System)，在光學(xué)顯微鏡下依據(jù)參考點(diǎn)定出欲分析位置的相對(duì)橫向和縱向距離，而在離子束顯微鏡內(nèi)迅速找到該位置，不需以人力費(fèi)時(shí)的去尋找。假若當(dāng)欲分析處為前層次或是為平坦化制程，離子束顯微鏡的影像無法從上視(Top-View)的觀察推斷出確切的分析位置時(shí)，也可藉影像對(duì)準(zhǔn)(Align Image)將離子束顯微鏡影像與光學(xué)顯微鏡影像重疊，再由光學(xué)顯微鏡影像定出欲切割位置，同樣可達(dá)成定點(diǎn)位置的分析。

關(guān)于穿透式電子顯微鏡試片制作，離子束顯微鏡提供了另一種選擇，在合理的工作時(shí)數(shù)(2-6小時(shí))與成功率(> 90 %)的掌握度下，離子束顯微鏡不失為良好的試片制作工具。

由于離子束顯微鏡在輔以不同的化學(xué)氣體時(shí)可具有材料沉積與蝕刻的功能，因此在5-10年前即引起人們對(duì)In-Situ Processing(在單一Chamber內(nèi)連續(xù)完成所有制程) 的研究興趣，許多先進(jìn)的組件制作，例如：雷射二極管(Laser Diode)，量子井組件(Quantum Well Devices)等，都曾利用離子束顯微鏡的工作原理示范過組件的制作。加之，因?yàn)殡x子束顯微鏡的離子源為鎵離子，對(duì)硅晶材料而言，鎵離子植入亦可作為P-Type接面的離子源，在過去的淺接面(Shallow Junction Formation)中，由于鎵離子的擴(kuò)散系數(shù)和穿隧效應(yīng)比硼(Boron,B)來得小，因此也曾掀起研究的熱潮。

此外在免光罩式的離子植入(Maskless Ion Implantation)應(yīng)用上，由于離子束顯微鏡的離子束能量可隨意調(diào)變，所以相較于傳統(tǒng)式的光阻罩幕后單一能量離子布植，離子束顯微鏡不但可以作極小面積的離子布植(0.1埃0.1 um2 以下)，而且最特別的是布植區(qū)域的離子植入深度 (亦即 P/N 接面的深度)可依組件設(shè)計(jì)而調(diào)變，這將使得組件設(shè)計(jì)的空間更廣更有趣；在IC工業(yè)的應(yīng)用上，離子束顯微鏡在光罩修補(bǔ)(Mask Repair)上亦有取代雷射光的趨勢(shì)，尤其是對(duì)相位轉(zhuǎn)換光罩(Phase Shift Mask, PSM)的制作中，離子束顯微鏡的分辨率和修補(bǔ)的精準(zhǔn)度(Repair Edge Placement Accuracy)都優(yōu)于雷射光，在0.25 um以下的制程中，可預(yù)期的是離子束顯微鏡也將會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域中活絡(luò)起來。

聚焦離子束掃描電鏡（聚焦離子束掃描電鏡的維修）

三、聚焦離子束的工作原理

液態(tài)金屬離子源

離子源是聚焦離子束系統(tǒng)的心臟，真正的聚焦離子束始于液態(tài)金屬離子源的出現(xiàn)，液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優(yōu)點(diǎn)，使之成為目前所有聚焦離子束系統(tǒng)的離子源。液態(tài)金屬離子源是利用液態(tài)金屬在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生場(chǎng)致離子發(fā)射所形成的離子源[1、2]。液態(tài)金屬離子源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示

在源制造過程中，將直徑0.5mm左右的鎢絲經(jīng)過電化學(xué)腐蝕成尖端直徑只有5－10μm的鎢針，然后將熔融的液態(tài)金屬粘附在鎢針尖上，在外加強(qiáng)電場(chǎng)后，液態(tài)金屬在電場(chǎng)力作用下形成一個(gè)極小的尖端（泰勒錐），液態(tài)尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)1010V/m。在如此高的電場(chǎng)下，液態(tài)表面的金屬離子以場(chǎng)蒸發(fā)的形式逸出表面，產(chǎn)生離子束流。由于液態(tài)金屬離子源的發(fā)射面積極小，盡管只有幾微安的離子電流，但電流密度約可達(dá)106A/cm2，亮度約為20μA/sr。

聚焦離子束系統(tǒng)

聚焦式離子束技術(shù)是利用靜電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割技術(shù)，目前商用FIB系統(tǒng)的粒子束是從液態(tài)金屬離子源中引出。由于鎵元素具有低熔點(diǎn)、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力，因而液態(tài)金屬離子源中的金屬材料多為鎵（Gallium，Ga）[3、4]。圖2給出了聚焦離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

在離子柱頂端外加電場(chǎng)（Suppressor）于液態(tài)金屬離子源，可使液態(tài)金屬或合金形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)（Extractor）牽引尖端的金屬或合金，從而導(dǎo)出離子束，然后通過靜電透鏡聚焦，經(jīng)過一連串可變化孔徑（Automatic

Variable

Aperture，AVA）可決定離子束的大小，而后用E×B質(zhì)量分析器篩選出所需要的離子種類，最后通過八極偏轉(zhuǎn)裝置及物鏡將離子束聚焦在樣品上并掃描，離子束轟擊樣品，產(chǎn)生的二次電子和離子被收集并成像或利用物理碰撞來實(shí)現(xiàn)切割或研磨。

四、fib聚焦離子束和sem設(shè)備的區(qū)別

注: 并非用Ga+才叫FIB(In, Au.AsPd2),只是大多數(shù)商用FIB都是用Ga,因?yàn)??(整理好在寫).Focused(聚焦): 將離子束聚焦Ion(離子): Ga --- Ga+Beam(束):很多離子往同一路徑(方向)移動(dòng)________________________________________聚焦太陽(yáng)光(光束)。

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