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时间：2025-03-18
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作者：ccpst
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聚焦离子束（FIB）测试-定义
聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）检测是一种将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级的先进技术。通过偏转系统和加速系统精确控制离子束的扫描运动，实现对微纳米图形的检测分析以及微纳米结构的无掩模加工。其离子源通常采用液态金属镓，这种高亮度、稳定的离子源为FIB系统的高效运行提供了坚实保障。
聚焦离子束（FIB）测试-基本组成
FIB系统主要由以下几个关键部分组成：
- 离子源：作为整个系统的起点，液态金属镓离子源能够产生高亮度、稳定的离子束，为后续的加工与检测提供基础。
- 电子透镜：用于将离子束进行聚焦，确保离子束能够精确地汇聚到亚微米甚至纳米量级，从而实现高精度的加工与检测。
- 扫描电极：在离子束的扫描过程中发挥关键作用，通过控制离子束的运动轨迹，使其按照预设的路径对样品进行扫描。
- 二次粒子探测器：负责接收从样品表面被激发出来的二次电子或二次离子等信号，这些信号是获取样品表面形貌图像以及成分信息的重要依据。
- 多轴多向移动的样品台：能够精确调整样品的位置和角度，以便对样品的不同区域进行检测和加工，同时也有助于在加工过程中对样品进行多角度的观察和分析。
- 真空系统：为FIB系统的运行提供一个高真空环境，避免空气中的气体分子对离子束的干扰，确保离子束的稳定性和加工的精确性。
聚焦离子束（FIB）测试-应用领域
FIB技术在多个领域有着广泛的应用：
- 掩模板修复：在光刻等工艺中，掩模板的完整性至关重要。FIB可以对掩模板上的缺陷进行定点修复，如在透光区域使用离子沉积修复缺陷，在遮光区域通过离子溅射去除遮光缺陷，有效延长掩模板的使用寿命。
- 电路修正：在集成电路设计与制造过程中，FIB能够对成型的集成电路进行线路编辑。通过溅射功能切断不需要的连线，或利用沉积功能连接原本不相连的部分，从而改变电路的连线走向，快速查找、诊断并修正电路错误，降低研发成本，加速研发进程。
- 失效分析：对于芯片、LED等半导体器件以及各种材料的失效问题，FIB可以进行截面分析，观察其内部结构和形貌尺寸，结合元素分析（如EDS）系统对截面成分进行分析，快速定位并分析缺陷原因，为工艺改进提供依据。
- 透射电子显微镜（TEM）样品制备：TEM需要非常薄的样品，通常约为100纳米或更薄。FIB能够精确控制样品的厚度和形状，制备出满足TEM观察要求的高质量样品，帮助研究人员深入研究材料的微观结构。
- 三维结构直写：无需掩膜版，FIB可以直接刻蚀或在气体注入系统（GIS）下沉积出所需的图形，制备微纳米尺度的复杂功能性结构，如纳米量子电子器件、亚波长光学结构等，甚至可以实现复杂三维结构图形的制备。
- 三维重构分析：通过软件控制FIB逐层切割和扫描电镜（SEM）成像交替进行，最后利用专业软件对获取的二维图像进行三维重构，从而在三维空间中对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征，广泛应用于材料科学、地质学、生命科学等学科。
- 原子探针样品制备：FIB能够制备高宽比大、尖锐的探针，针尖尺寸可控制在100纳米左右，满足原子探针（AP）技术对样品的严格要求，进而实现对样品在纳米尺度下的化学成分进行三维成像和定量分析。
聚焦离子束（FIB）测试-加工原理
（一）刻蚀
FIB的刻蚀功能是通过偏转系统控制离子束的扫描路径与扫描区域，使离子束按照设定的图案对样品进行轰击，从而刻蚀出设计的结构。在刻蚀过程中，样品表面的原子被溅射逸出，大部分溅射溢出的颗粒会被真空泵抽走。然而，有部分颗粒会掉落在被刻蚀区域附近，形成再沉积。再沉积可能会对临近的结构造成填埋，因此在刻蚀多个相邻的结构时，通常采用并行的模式，以减小再沉积的影响。
（二）沉积
聚焦离子束辅助沉积是利用高能量的离子束辐照诱导特定区域发生化学气相沉积反应，也被称为离子束诱导沉积。在沉积过程中，离子束不断地轰击样品表面，刻蚀与沉积的过程并存，因此需要严格控制束流密度等参数，以实现精确的沉积控制。
聚焦离子束（FIB）测试-常见缺陷及解决方法
（一）倾斜侧壁
由于聚焦的束斑中离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度会逐渐减小直至饱和。不同材料及其晶体取向会导致截面出现约4°的锥度。为获得与样品表面完全垂直的截面，可将样品人为倾斜特定角度，弥补截面与离子束入射角度的偏差；也可采用侧向入射的方式进行切割，通过定义刻蚀图案控制截面与表面的角度，加工出更复杂的三维微纳米结构。
（二）窗帘结构
窗帘结构表现为截面上的竖直条纹，其形成与聚焦离子束切割的倾斜侧壁密切相关。当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，进而形成窗帘结构。对于由表面形貌起伏引起的窗帘结构，可在样品表面用FIB辅助化学气相沉积生长一层保护层，使表面变得平坦；也可通过改变离子束的入射方向，从没有起伏的面开始切割，避开其影响。对于因成分差异引起的窗帘结构，可采用摇摆切割的方式，使离子束在多个角度入射，从而消除窗帘结构。
（三）非均匀刻蚀
对于多晶材料和多元化合物材料，由于各个晶粒的取向不同，刻蚀速率在不同晶粒区域也会不同，导致底面不平整的非均匀刻蚀现象。增大离子束扫描每点的停留时间可以改善这一问题，因为再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，起到平坦化的作用，从而提高刻蚀底面的平整性。
聚焦离子束（FIB）测试-刻蚀技术表征指标
在刻蚀技术中，有多个关键指标用于表征刻蚀效果：
-
刻蚀速率：指目标材料单位时间内被刻蚀的深度，反映了刻蚀的效率。
-
择比（抗刻蚀比）：是刻蚀过程中掩模与刻蚀衬底材料的刻蚀速率之比，体现了掩模对刻蚀过程的控制能力。
-
方向性或各向异性度：指掩模图形中暴露位置下方的衬底材料在不同方向上刻蚀速率的比，反映了刻蚀过程的方向性控制能力。
-
刻蚀深宽比：在刻蚀特定图形时，图形的特征尺寸与对应能够刻蚀的最大深度之比，体现了刻蚀保持各向异性刻蚀的能力。
-
刻蚀粗糙度：包括边壁的粗糙度和刻蚀位置底面的粗糙度，反映了刻蚀的均匀性和稳定性。
-
关键尺寸：指刻蚀后图形的关键尺寸，如线宽、间距等，反映了刻蚀对图形尺寸的控制精度。
-
最小特征线宽：刻蚀技术能够实现的最小图形线宽，体现了刻蚀的高精度能力。
-
均匀性：刻蚀在整个样品表面的均匀性，反映了刻蚀过程的稳定性。
-
可重复性：在多次刻蚀过程中，刻蚀效果的可重复性，体现了刻蚀技术的可靠性。
离子束刻蚀的改进
离子束刻蚀是一种纯物理过程，适用于任何材料，但其掩模和衬底的选择比较困难，难以实现较深的刻蚀。为克服这一问题，引入了化学反应机制，发展出反应离子刻蚀（RIBE）和化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）。在RIBE中，离子定向轰击保证了离子与目标材料的化学反应具有很好的方向性，提高了各向异性能力，同时强化了表面所吸附气体分子与表面材料的化学反应，成倍提高了对目标材料的刻蚀速度，并大大提高了刻蚀的选择比，使得大深宽比的图形刻蚀成为可能。
刻蚀速率影响因素
在离子束刻蚀中，刻蚀速率受多种因素影响：
-
入射离子能量：离子能量越高，对材料的轰击作用越强，刻蚀速率通常会提高。
-
束流密度：束流密度越大，单位时间内作用在材料表面的离子数量越多，刻蚀速率也会相应增加。
-
离子入射角度：入射角度的不同会影响离子与材料表面的相互作用，进而影响刻蚀速率。
-
材料成分及温度：不同材料的刻蚀速率不同，且材料温度的变化也会对刻蚀过程产生影响。
-
气体与材料化学反应状态及速率：在化学辅助刻蚀过程中，气体与材料的化学反应状态及速率是影响刻蚀速率的重要因素。
-
刻蚀生成物：刻蚀生成物的性质和去除效率等也会对刻蚀速率产生一定影响。
-
物理与化学功能强度配比：物理轰击与化学反应之间的平衡关系会影响刻蚀的整体效果和速率。
-
材料种类和电子中和程度：不同种类的材料具有不同的物理和化学性质，电子中和程度也会影响刻蚀过程的稳定性和速率。
FIB测试常见的问题
- FIB测试在材料测试中存在重要缺陷以及改善方法
- FIB测试常见的应用场景分析
- FIB测试可以做什么
- FIB测试的制样流程
- FIB测试的制样要求
- FIB测试的理想用途
- FIB测试的技术规格
- FIB测试的局限性
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