聚焦離子束（FIB）技術(shù)是一種先進(jìn)的納米加工和分析工具。其基本原理是在電場和磁場作用下，將離子束聚焦到亞微米甚至納米量級，通過偏轉(zhuǎn)和加速系統(tǒng)控制離子束掃描運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)微納圖形的監(jiān)測分析和微納結(jié)構(gòu)的無掩模加工。

聚焦離子束（FIB）技術(shù)的發(fā)展離不開液態(tài)金屬離子源的關(guān)鍵突破。

20世紀(jì)70年代初，來自美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、英國Cluham實(shí)驗(yàn)室、美國俄勒岡研究中心等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家投身于液態(tài)金屬離子源研發(fā)，并將其引入FIB系統(tǒng)。1978年，美國加州休斯研究所成功搭建全球首臺基于Ga+液態(tài)金屬離子源的FIB加工系統(tǒng)，其離子束斑直徑僅100納米，束流密度達(dá)1.5安培/平方厘米，束亮度達(dá)3.3×10?安培/平方厘米·球面度，標(biāo)志著FIB技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段。80年代和90年代，F(xiàn)IB技術(shù)在機(jī)理、設(shè)備和應(yīng)用研究等方面取得顯著進(jìn)步，不同功能的商用FIB系統(tǒng)批量面世，廣泛應(yīng)用于研究實(shí)驗(yàn)室和半導(dǎo)體集成電路制造廠。如今，F(xiàn)IB技術(shù)已成為微電子行業(yè)提升材料分析、工藝優(yōu)化、器件檢測及修復(fù)精度與效率的關(guān)鍵技術(shù)。

FIB系統(tǒng)的核心技術(shù)

FIB技術(shù)的核心在于利用靜電透鏡將離子束聚焦至極小尺寸，實(shí)現(xiàn)高精度的顯微切割。

目前，商用FIB系統(tǒng)的離子束源自液態(tài)金屬離子源。液態(tài)金屬離子源具有高亮度、高穩(wěn)定性和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供高質(zhì)量的離子束。在FIB系統(tǒng)中，離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦等一系列操作后，被精確地引導(dǎo)至樣品表面。當(dāng)離子束與樣品相互作用時，會發(fā)生多種物理和化學(xué)過程，如離子束轟擊樣品表面導(dǎo)致的材料去除（刻蝕），或者離子束與樣品表面原子相互作用后引發(fā)的二次電子發(fā)射等。通過檢測這些二次電子信號，可以獲得樣品表面的微觀形貌信息，從而實(shí)現(xiàn)對樣品的高分辨率成像。此外，F(xiàn)IB技術(shù)還可以通過控制離子束的能量、束流密度和作用時間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對樣品的精確加工和改性。例如，在微納加工領(lǐng)域，F(xiàn)IB技術(shù)可用于制造納米尺度的結(jié)構(gòu)和器件；在材料分析方面，F(xiàn)IB技術(shù)可用于制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品，以便對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。總之，F(xiàn)IB技術(shù)憑借其高精度、多功能的特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

FIB技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)及加工中的應(yīng)用

1. IC芯片電路修改

在芯片設(shè)計(jì)與制造過程中，F(xiàn)IB技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過FIB對芯片電路進(jìn)行物理修改，芯片設(shè)計(jì)者能夠針對芯片問題區(qū)域進(jìn)行針對性測試，從而更快速、更準(zhǔn)確地驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。當(dāng)芯片的某些部分出現(xiàn)故障或性能不佳時，F(xiàn)IB可以對這些區(qū)域進(jìn)行隔離或功能修正，幫助工程師迅速定位問題根源。此外，F(xiàn)IB還能在產(chǎn)品量產(chǎn)前提供樣片和工程片，加速終端產(chǎn)品的上市時間。利用FIB修改芯片，可有效減少不成功的設(shè)計(jì)方案修改次數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。例如，在一款復(fù)雜芯片的研發(fā)過程中，工程師發(fā)現(xiàn)其中的一個功能模塊存在性能瓶頸。通過FIB技術(shù)，他們可以對該模塊進(jìn)行局部修改，改變其電路結(jié)構(gòu)或連接方式，從而優(yōu)化性能。這種精準(zhǔn)的修改方式不僅節(jié)省了時間和資源，還提高了芯片設(shè)計(jì)的成功率。

2.Cross-Section截面分析

FIB技術(shù)在芯片截面分析方面的應(yīng)用同樣不可小覷。通過對IC芯片特定位置進(jìn)行截面斷層切割，工程師可以清晰地觀察到芯片內(nèi)部的材料截面結(jié)構(gòu)和材質(zhì)分布情況，進(jìn)而對芯片的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行定點(diǎn)分析。這種截面分析方法為芯片制造過程中的質(zhì)量控制和故障排查提供了有力支持。例如，在芯片制造過程中，可能會出現(xiàn)晶體管漏電、互連線短路等問題。

3.Probing Pad

在復(fù)雜IC線路中，F(xiàn)IB技術(shù)還可以用于在任意位置引出測試點(diǎn)。這些測試點(diǎn)可以與探針臺（Probe-station）或電子束（E-beam）直接連接，以便對IC內(nèi)部信號進(jìn)行進(jìn)一步觀測和分析。這對于芯片的功能驗(yàn)證和性能測試至關(guān)重要。例如，在一款高性能處理器芯片中，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號分布密集。通過FIB技術(shù)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)引出測試點(diǎn)，工程師可以實(shí)時監(jiān)測信號的傳輸情況，檢查是否存在信號延遲、干擾等問題。這種精確的信號檢測方法有助于提高芯片的性能和穩(wěn)定性，確保其在各種工作條件下都能正常運(yùn)行。

在微納加工領(lǐng)域的應(yīng)用

FIB技術(shù)在微納加工和半導(dǎo)體集成電路制造業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前該領(lǐng)域十分活躍的研究方向之一。它集材料刻蝕、沉積、注入、改性等多種功能于一身，有望成為高真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)器件制造全過程的主要加工手段。

TEM和STEM薄片試樣制備

FIB技術(shù)在透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）薄片試樣制備方面也發(fā)揮著重要作用。

為了方便大家對材料進(jìn)行深入的失效分析及研究，金鑒實(shí)驗(yàn)室具備Dual Beam FIB-SEM業(yè)務(wù)，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。TEM和STEM是研究材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的重要手段，而高質(zhì)量的薄片試樣是獲得準(zhǔn)確分析結(jié)果的關(guān)鍵。FIB技術(shù)可以精確地從樣品中切取厚度僅為幾十納米的薄片，滿足TEM和STEM的試樣要求。通過FIB制備的薄片試樣，研究人員可以清晰地觀察到材料的原子級結(jié)構(gòu)，從而深入理解材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。例如，在研究新型半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)時，通過FIB制備的薄片試樣可以幫助研究人員準(zhǔn)確地分析晶體的生長方向、缺陷類型等信息，為材料的優(yōu)化和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

其他應(yīng)用領(lǐng)域的探索與開發(fā)

除了上述主要應(yīng)用，F(xiàn)IB技術(shù)還在多個新興領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，掃描離子束顯微鏡（SIM）是一種基于FIB技術(shù)的新型顯微鏡，它利用離子束掃描樣品表面，可以獲得高分辨率的三維形貌圖像。FIB直接注入技術(shù)則可用于將特定的離子注入材料內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)材料的改性和摻雜。FIB曝光技術(shù)，包括掃描曝光和投影曝光，可用于制造納米尺度的圖案和結(jié)構(gòu)。多束技術(shù)和全真空聯(lián)機(jī)技術(shù)則為FIB技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路和方向。