共讀好書

系統及原理

雙束聚焦離子束系統可簡單地理解為是單束聚焦離子束和普通SEM之間的耦合。單束聚焦離子束系統包括離子源，離子光學柱，束描畫系統，信號采集系統，樣品臺五大部分。離子束鏡筒頂部為離子源，離子源上施加強大電場提取帶正電荷離子，經靜電透鏡和偏轉裝置聚焦并偏轉后實現樣品可控掃描。樣品加工采用加速離子轟擊試樣使表面原子濺射的方法進行，而生成的二次電子及二次離子則由對應探測器進行采集及成像。 常用的雙束設備有電子束豎直安裝和離子束和電子束呈一定角度安裝兩種，見附圖。人們常把電子束與離子束在焦平面上的交線稱為共心高度位置。使用時試樣位于共心高度位置既可實現電子束成像，又可進行離子束處理，且可通過試樣臺傾轉將試樣表面垂直于電子束或者離子束。 典型離子束顯微鏡主要由液態金屬離子源和離子引出極，預聚焦極，聚焦極使用高壓電源，電對中，消像散電子透鏡，掃描線圈等組成、二次粒子檢測器，活動樣品基座，真空系統，抗振動及磁場設備，電路控制板，電腦等硬件設備，如圖所示： 外加電場于液態金屬離子源，可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束。在一般工作電壓下，尖端電流密度約為10-4A/cm2，以電透鏡聚焦，經過可變孔徑光闌，決定離子束的大小，再經過二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面，利用物理碰撞來達到切割的目的，離子束到達樣品表面的束斑直徑可達到7納米。

設備部分應用

TEM制樣、截面分析、芯片修補與線路修改、微納結構制備、三維重構分析、原子探針樣品制備、離子注入、光刻掩膜版修復。

常用的TEM制樣

1、半導體薄膜材料 此類樣品多為在平整的襯底上生長的薄膜材料，多數為多層膜（每層為不同材料），極少數為單層材料。多數的厚度范圍是幾納米-幾百納米。制備樣品是選用的位置較多，無固定局限。 2、半導體器件材料 此類樣品多為在平整的襯底上生長的有各種形狀材料，表面有圖形，制樣范圍有局限。 3、金屬材料 金屬材料，多為表面平整樣品，也有斷口等不規則樣品，減薄的區域多為大面積。 4、電池材料 電池材料多為粉末，每個大顆粒會有許多小顆粒組成，形狀多為球形，由于電池材料元素的原子序數較小，pt原子進入在TEM下會較為明顯，建議保護層采用C保護。 5、二維材料 此類樣品為單層或多層結構，如石墨烯等，電子束產生的熱效應會對其造成損傷，在制備樣品前需要在表面進行蒸鍍碳的處理，或者提前在表面鍍上保護膜。 6、地質、陶瓷材料 此類樣品導電性能差、有些會出現空洞，制備樣品前需要進行噴金處理，材料較硬，制備時間長。 7、原位芯片 用原位芯片代替銅網，將提取出來的樣品固定在芯片上，進行減薄。

截面分析

應用FIB濺射刻蝕功能可定點切割試樣并觀測橫截面（cross-section）來表征截面形貌大小，還可配備與元素分析（EDS）等相結合的體系來分析截面成分。通常應用在芯片，LED等失效分析方面，普通IC芯片在加工時存在問題，利用FIB能快速定點地對缺陷原因進行分析，改進工藝流程，FIB系統已成為當代集成電路工藝線中必不可少的裝置。

芯片修補與線路編輯

IC設計時，必須對所形成集成電路進行設計變更驗證，優化與調試。在檢測出問題之后，對這些缺陷的部位需進行維修。現有集成電路制程正在縮減。線路層數亦越來越多。應用FIB中濺射功能可以使某處連線切斷，也可以用它的沉積功能使某地原先沒有連接的地方連接在一起，使電路連線的方向發生了變化，可以找到、診斷電路是否存在誤差，并能直接對芯片中的這些誤差進行校正，減少研發成本并加快研發進程，由于它節省原形制備及掩模變更所需的時間及成本。

微納結構制備

FIB系統不需要掩膜版就能直接刻畫出或沉積到GIS系統下所需要的圖形，使用FIB系統已能夠在微納米尺度上制備復雜功能性結構，內容涉及納米量子電子器件、亞波長光學結構、表面等離激元器件和光子晶體結構。采用合理方法，不但能實現二維平面圖形結構的繪制，而且即使在復雜的三維結構中也能進行繪制。

三維重構分析

使用FIB對材料進行三維重構的3D成像分析也是近年來增長速度飛快的領域。此方法多用于材料科學、地質學、生命科學等學科。三維重構分析目的主要是依靠軟件控制FIB逐層切割和SEM成像交替進行，最后通過軟件進行三維重構。FIB三維重構技術與EDS有效結合使得研究人員能夠在三維空間對材料的結構形貌以及成分等信息進行表征；和EBSD結合可對多晶體材料進行空間狀態下的結構、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息進行表征。為了方便大家對材料進行深入的失效分析及研究，金鑒實驗室具備Dual Beam FIB-SEM業務，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。

原子探針樣品制備

原子探針( AP) 可以用來做三維成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析樣品在納米尺度下的化學成分。要實現這一應用的一個重要條件就是要制備一個大高寬比、銳利的探針，針尖的尺寸要控制在100 nm 左右。對原子探針樣品的制備要求與TEM 薄片樣品很接近方法也類似。首先選取感興趣的取樣位置，在兩邊挖V型槽，將底部切開后，再用納米機械手將樣品取出。轉移到固定樣品支座上，用Pt 焊接并從大塊樣品切斷。連續從外到內切除外圍部分形成尖銳的針尖。最后將樣品用離子束低電壓進行最終拋光，消除非晶層，和離子注入較多的區域。

離子注入

在FIB加工中，離子束注入改性的研究同樣是一項基礎研究課題。如用高能離子束對單晶硅表面進行轟擊，注入足夠大時，離子轟擊會使試樣表層出現空位和非晶化等離子轟擊破壞現象。在這一過程中，注入離子會和材料內有序排布的Si原子碰撞，發生能量傳遞，使原來有序排布的Si原子間變得雜亂無章，表面以下出現非晶層。注入的離子由于碰撞而損失了能量并最終滯留于距表面某一深度范圍內。

光刻掩膜版修復

普通光學光刻都以掩膜版為圖形來源，但長期使用后掩膜版圖形有破損現象，導致光刻之后圖形產生缺陷，掩膜版價格昂貴，若因掩膜版表面存在微小圖形缺陷而導致整體掩膜版失效時，再進行掩膜版制備，則費用較大。采用FIB系統可實現掩膜版缺陷定點修復，且方法簡便、快捷。透光區域缺陷修復可采用離子沉積并選用沉積C為掩膜版修復材料；采用離子濺射對遮光區域進行缺陷修復，蝕刻去除遮光缺陷。然而采用FIB對掩膜版進行修補時存在的最大問題就是會導致Ga離子污染和玻璃透光率變化而產生殘余缺陷，這就可采用RIE和清洗相結合的方式對注入Ga離子的表面玻璃進行刻蝕和去除，以恢復玻璃透光率。

審核編輯 黃宇