聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)是一種利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器。
基本介紹
- 中文名：聚焦離子束
- 外文名：Focused Ion beam
- 英文簡稱：FIB
基本信息,工作原理,基本功能,曝光技術,
基本信息
商用系統的離子束為液相金屬離子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)，金屬材質為鎵(Gallium, Ga)，因為鎵元素具有低熔點、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制臺、和計算機等硬設備，外加電場(Suppressor)與液相金屬離子源 可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 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1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的。以下為其切割（蝕刻）和沉積原理圖：
在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的解析度決定於離子束的大小與畸變修正、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號的強度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況，商用機型的影像解析度最高已達 4nm，雖然其解析度不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對於定點結構的分析，它沒有試片製備的問題，在工作時間上較為經濟，同時可以產生更多的信息，例如被觀察樣品的成分不同等
工作原理
液態金屬離子源
離子源是聚焦離子束系統的心臟，真正的聚焦離子束始於液態金屬離子源的出現，液態金屬離子源產生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優點，使之成為絕大多數聚焦離子束系統的離子源。液態金屬離子源是利用液態金屬在強電場作用下產生場致離子發射所形成的離子源[1、2]。液態金屬離子源的基本結構如圖1所示
在源製造過程中，將直徑0.5mm左右的鎢絲經過電化學腐蝕成尖端直徑只有5－10μm的鎢針，然後將熔融的液態金屬粘附在鎢針尖上，在外加強電場後，液態金屬在電場力作用下形成一個極小的尖端（泰勒錐），液態尖端的電場強度可高達10^10V/m。在如此高的電場下，液態表面的金屬離子以場蒸發的形式逸出表面，產生離子束流。由於液態金屬離子源的發射面積極小，儘管只有幾微安的離子電流，但電流密度約可達106A/cm2，亮度約為20μA/sr。
聚焦離子束系統
聚焦式離子束技術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，商用FIB系統的粒子束多是從液態金屬離子源中引出。由於鎵元素具有低熔點、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力，因而液態金屬離子源中的金屬材料多為鎵（Gallium，Ga）。
在離子柱頂端外加電場（Suppressor）於液態金屬離子源，可使液態金屬或合金形成細小尖端，再加上負電場（Extractor）牽引尖端的金屬或合金，從而導出離子束，然後通過靜電透鏡聚焦，經過一連串可變化孔徑（Automatic Variable Aperture，AVA）可決定離子束的大小，而後用E×B質量分析器篩選出所需要的離子種類，最後通過八極偏轉裝置及物鏡將離子束聚焦在樣品上並掃描，離子束轟擊樣品，產生的二次電子和離子被收集並成像或利用物理碰撞來實現切割或研磨。
基本功能
聚焦離子束顯微鏡的基本功能可概分為四種：
1. 定點切割(Precisional Cutting)-利用離子的物理碰撞來達到切割之目的。 廣泛套用於積體電路(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金屬蒸氣或氣相絕緣材料，在局部區域作導體或非導體的沉積，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. 蝕刻終點偵測(End Point Detection)-偵測二次離子的訊號，藉以了解切割或蝕刻的進行狀況。
在實際的套用上，為了有效的搜尋故障的區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上，可配備自動定位導航系統或影像重疊定位裝置，當生產線的缺陷檢視系統(Defect Inspection System)，例如:KLA-Tencor，發現製程異常時，可將晶片上缺陷的計算機檔案傳送到自動定位導航系統，離子束顯微鏡即可迅速找尋缺陷的位置，並進行切割動作，確認缺陷發生的層次，如此可避免晶片送出無塵室後與外界的灰塵混淆，達到 "Off-line 找到的就是In-line 看到的" 精準度，這種功能免除了工程師在試片製備上極大的困擾，同時節省了傳統機械研磨法中大量的人力與工時，加之也大大的提升了成功率。
在新型的聚焦離子束顯微鏡，已出現的雙束(Dual Beam)的機型(離子束+電子束)，在以離子束切割時，用電子束觀察影像，除了可避免離子束繼續 "破壞現場" 外，尚可有效的提高影像解析度，同時也可配備X-光能譜分析儀或二次離子質譜儀，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。
至於離子束顯微鏡在積體電路製造工業上的套用，主要可分為五大類：1.線路修補和布局驗證；2.組件故障分析；3.生產線製程異常分析；4.IC 製程監控-例如光阻切割；5.穿透式電子顯微鏡試片製作。
在各類套用中，以線路修補和布局驗證這一類的工作具有最大經濟效益，局部的線路修改可省略重作光罩和初次試作的研發成本，這樣的運作模式對縮短研發到量產的時程絕對有效，同時節省大量研發費用。
當我們欲進行產品偵錯或故障分析時，在沒有KLA或TENCOR等數據檔案(例如：GDSII file)數據的情況下，對於小尺寸的晶粒或已經封裝後的產品，亦可利用附屬的影像重疊系統(Image Overlay System)，在光學顯微鏡下依據參考點定出欲分析位置的相對橫向和縱向距離，而在離子束顯微鏡內迅速找到該位置，不需以人力費時的去尋找。假若當欲分析處為前層次或是為平坦化製程，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，也可藉影像對準(Align Image)將離子束顯微鏡影像與光學顯微鏡影像重疊，再由光學顯微鏡影像定出欲切割位置，同樣可達成定點位置的分析。
關於穿透式電子顯微鏡試片製作，離子束顯微鏡提供了另一種選擇，在合理的工作時數(2-6小時)與成功率(> 90 %)的掌握度下，離子束顯微鏡不失為良好的試片製作工具。
由於離子束顯微鏡在輔以不同的化學氣體時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In-Situ Processing(在單一Chamber內連續完成所有製程) 的研究興趣，許多先進的組件製作，例如：鐳射二極體(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範過組件的製作。加之，因為離子束顯微鏡的離子源為鎵離子，對矽晶材料而言，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，由於鎵離子的擴散係數和穿隧效應比硼(Boron,B)來得小，因此也曾掀起研究的熱潮。
此外在無光罩式的離子注入(Maskless Ion Implantation)套用上，由於離子束顯微鏡的離子束能量可隨意調變，所以相較於傳統式的光阻罩幕後單一能量離子布植，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域的離子植入深度 (亦即 P/N 接面的深度)可依組件設計而調變，這將使得組件設計的空間更廣更有趣；在IC工業的套用上，離子束顯微鏡在光罩修補(Mask Repair)上亦有取代雷射光的趨勢，尤其是對相位轉換光罩(Phase Shift Mask, PSM)的製作中，離子束顯微鏡的解析度和修補的精準度(Repair Edge Placement Accuracy)都優於鐳射光，在0.25 um以下的製程中，可預期的是離子束顯微鏡也將會在這個領域中活絡起來。
曝光技術
聚焦離子束曝光技術概述
聚焦離子束也可以像電子束那樣作為一種曝光手段。離子束曝光有非常高的靈敏度，這主要是因為在固體材料中的能量轉移的效率遠遠高於電子。常用的電子束曝光抗蝕劑對離子的靈敏度要比對電子束高100倍以上。除了靈敏度高之外，離子束曝光的另一優點是幾乎沒有鄰近效應。由於離子本身的質量遠大於電子，離子在抗蝕劑中的散射範圍要遠小於電子，並且幾乎沒有背散射效應。
聚焦離子束曝光是一種類似於電子束曝光的技術，它是在聚焦離子束技術基礎上將原子離化後形成離子束的能量控制在10～200keV範圍內，再對抗蝕劑進行曝光，從而獲得微細線條的圖形。其曝光機理是離子束照射抗蝕劑並在其中沉積能量，使抗蝕劑起降解或交聯反應，形成良溶膠或非溶凝膠，再通過顯影，獲得溶與非溶的對比圖形。
聚焦離子束曝光技術自發展以來，由於其曝光深度有限以及曝光系統與曝光工藝的複雜性，發展受到了限制。但在實驗條件下，聚焦離子束仍可作為製作小批量研究性質的器件的一種工具。真正把聚焦離子束認真地作為一種大規模積體電路生產的曝光工具來開發是20世紀90年代後期的聚焦離子束投影曝光技術。
聚焦離子束投影曝光技術
根據是否有靜電離子投影鏡，聚焦離子束投影曝光技術可分為有掩模的1：1聚焦離子束投影曝光和有掩模的聚焦離子束縮小投影曝光兩類。
有掩模的1：1聚焦離子束曝光，它包括離子源、離子束照明系統、鏤空掩模和工件台等。它是將平行的離子束照射在鏤空掩模上，使掩模上的圖像直接映在下面的工件台上，象拍照一樣一次性產生曝光圖形。
有掩模的離子束縮小投影曝光，它包括離子源、離子束系統、鏤空掩模、靜電離子束投影鏡和工件台等。它是在掩模和工件間加一個靜電離子束投影鏡，使經過掩模的圖像按比例縮小到工件台上，從而使曝光圖形的線寬得到進一步的縮小，同時也縮小了掩模製作上的缺陷，大大地降低了掩模的製作難度。然而這種掩模也面臨著應力和入射離子造成的發熱等問題，為此採取了一系列措施，如：對掩模進行摻雜；對膜增加保護層；設計掩模冷卻系統及通過有限元分析改進了掩模框架的設定，避免氣流對掩模造成振動等。
聚焦離子束投影曝光技術的優點
聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大於曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，矽片表面任何起伏在100μm之內，離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1～2μm為，圖5顯示了聚焦離子束投影曝光獲得的線條圖形。線條跨越矽片表面的起伏結構時其線寬沒有任何變化。聚焦離子束投影曝光的另一個優點是通過控制離子能量可以控制離子的穿透深度，從而控制抗蝕劑的曝光深度。
聚焦的離子束在半導體行業有著重要作用，可用來切割納米級結構，對光刻技術中的禁止板進行修補，製作透射電鏡樣品，分離和分析積體電路的各個元件，激活由特殊原子組成的材料，使其具有導電性等等。我國的科研單位及高等院校在聚焦離子束曝光技術及其套用方面也作了大量的研究工作並取得了可喜的成績。我們相信，隨著我國微電子工業的發展，聚焦離子束曝光技術及其套用技術也必將被提高到新的水平。
