双束聚焦离子束工作原理及在微电子领域运用研究

双束聚焦离子束工作原理及在微电子领域运用研究

杨涛

上海聚跃检测技术有限公司 200120

摘要：双束聚焦离子束系统被广泛应用在微电子领域，能有效地利用系统，提升微电子行业的发展质量与水平。此外，由于电器内部结构愈发复杂，因此对芯片技术判断、失效分析、加工维修等工作的标准要求逐渐增加，而运用FIB双输系统则可以加大分析质量和效率。现阶段该系统已经被普遍使用，其主要原因是由于该系统可以在高能离子束的基础上，综合电子束的优势，且利用此种技术的形式进行加工和管理可有效增强生产质量。鉴于此情况，本文将重点围绕双束聚焦离子束工作原理及在微电子领域的应用进行研究，并结合本人工作经历对其工作原理和应用方式进行深入阐述，进而为我国微电子行业的可持续发展奠定良好的基础。

关键词：双束聚焦离子束；微电子；系统发展

引言：目前，随着我国经济水平的不断提升，集成电路芯片的加工技术也在不断加强，而双束聚焦离子束更是能提升对芯片的加工和分析能力，规避传统加工形式的一些不足。此外双束聚焦离子束可有效减少观察时对产品的影响，这也进一步提升了微加工和分析的综合水平。由此可见围绕双束聚焦离子束工作原理及在微电子领域运用进行分析，对于我国相关行业的进步至关重要。

一、双束聚焦离子束工作原理以及组成

聚焦离子束（Focused ion beam，FIB）是一种运用相关装置进行聚焦，并利用其检查样品情况进行深入加工、处理、分析的一种现代化综合系统。而双束聚焦离子束更是结合了传统聚焦与电子扫描的多种优势，可以高效的对样品进行加工和分析，既能够提升系统的检查质量还能够降低对生产样品的影响，有效地增强系统应用的整体水平。在具体应用过程中，要求相关人员将设备与样品垂直放置，且需调整离子束与样本之间的角度，使其形成规定度数的夹角，进而利用离子束对样品进行加工处理，例如剖面、蚀刻等。本人现于上海聚跃检测技术有限公司负责公司精密芯片测试设备的软硬件安装调试以及精密测试设备的销售和售后服务，曾在2020年负责北京塞莱克斯精密设备双束聚焦离子束的安装调试和软件的升级工作以及华为中国区精密设备聚焦离子束的软硬件的安装、维修、调试工作。本人将结合自身工作情况和经验对双束聚焦离子束进行深入阐述^[1]。
双束聚焦离子束系统的主要工作原理与传统的电子显微镜、扫描机器以及电子成像系统的原理相同，且聚焦离子束的物质通常沸点较高且密度较大，因此能够与样品之间形成较大的二次离子，进而产生能量传递。而以上性质也进一步拓展了该技术系统的应用功能，可以利用二次电子和离子生成电子图像，进而对样品的微加工和后续分析进行帮助，有效地促进物质沉淀。
聚焦粒子束系统会使用气体注入进行运行，其中气体种类的不同也会对后续的使用效果造成一定的影响。常用的气体主要为金属和非金属两种，在具体应用过程中气体不会与样品直接产生反应，而是喷射到需要进行加工的区域，并利用离子束的外力作用使其形成一种离子再次与样品表面产生相关反应，而此过程中产生的其他气体则会被真空系统作用分离。通常情况下气体的正确选择可以增强微加工10倍左右的生产效率，有效地保证了企业的生产需要。此外气体的应用还能够增强重淀积程度，现阶段在电路芯片中最为常见的金属材料便是铜和铝，针对这两种材料使用的腐蚀性气体则主要为水系气体。而对于二氧化硅等非金属材料则最佳使用气体为二氟化氙。而针对薄膜淀积气体来讲，其应用种类的选择也要结合实际情况，主要分为金属和非金属两种。前者主要包括铂而后者则主要是四乙氧基硅烷。

二、双束聚焦离子束在微电子领域的应用情况

FIB系统的应用有效地促进了材料分析与加工检查的优化与完善，可以配合其他相关技术进行应用，因此被广泛应用于微电子领域，现阶段该系统已经成为了相关行业重要的加工分析工具，且应用前景较好，其系统的主要应用为以下几种。图1为常见的FIB系统运用规划图。

图 1 为常见的FIB系统运用规划图

（一）失效位置定位

在进行失效分析的过程中，通常要求技术人员先进行失效区域的确定并做好标记，进而对其进行分析。然而随着技术的不断发展和优化，芯片加工的尺寸面积逐渐变小，因此也在一定程度上加大了失效区域标记的难度。当进行测试定位时需要保证标记的精准度才能够有效地去除失效情况，满足实际要求。而聚焦粒子束系统不仅能够具备传统的蚀刻功能，还能够进一步提升系统的分辨率，进而对失效位置进行精准的定位，有效地帮助工作人员进行失效分析。

（二）制备剖面观察缺陷、侦测工艺

传统制备剖面的技术形式主要是进行人工操作，这种形式不仅会加大工作人员的工作难度，还需要进行显微镜研磨。而人工操作便很容易出现研磨位置失误等情况不能满足实际需要，而且随着芯片的逐渐缩小，技术人员也要利用离子束的特性进行高精准的剖面。以某型号芯片的生产流程为例，在加工过程中工作人员需保护分析区域，尽可能地减轻剖面切割过程对样品的影响，并使用特定电流蚀刻出阶梯状的凹坑，以此准确利用电子束对剖面进行观察和拍照。这种生产流程主要被应用于集成电路芯片生产工艺中，例如侦测集成电路芯片等，能够有效的对材料的情况以及相关信息进行纵向检查。在进行集成电路的失效分析时，若发现存在异常情况，则可以使用聚焦离子束制备该区域的剖面情况，进而深入分析缺陷原因，为后续的工作奠定良好的基础

^[2]。图2为FIB系统下的器件剖面情况显示图。

图 2 FIB系统下的器件剖面情况显示图

（三）TEM样本生产

在经济水平不断提升的背景下，集成电路芯片的加工技术也在不断完善和优化，对其进行失效分析的方式变得更多，有效地提升了扫描分辨率。其中透射电子显微镜（TEM）更是可以达到高分辨率的要求，因此在失效分析的过程中具有非常重要的地位。这种样品在生产的过程中难度较高，需要先进行样品观察，且厚度不能超过100nm，并利用手工研磨的形式进行制备，且这种方式极易出现失误，因此会造成大量的资源浪费。而在FIB使用的背景下，能够良好地解决以上样品生产问题，有效地提升生产效率和质量，增强失效分析位置确认的精准度。以FEI公司的某工程为例，需要先使用100pA的电流进行区域沉积，减少外部离子束对该区域的影响，最后运用100-500pA的小电流进行刻蚀工作完成TEM的样品制备。此外，也可以在精准定位样品制备位置之后，将Pt涂抹在表面，使其能够对内部达到保护的作用。与此同时将样品打磨成薄片，并运用Easylift针取出样品放置在设备上，进而运用离子束对样品进行减薄处理，使其达到100nm以下。在此过程中需要注意不能是样本过于薄，否则极易损坏，不利于后续的TEM观察。

（四）电路维修

目前，集成芯片从前期的设计到后续的修改过程中需要进行多次的设计测试与更改，进而规避相关风险提升质量，一旦进行测试，必须要重新进行规划和设计因此也会增加成本。而FIB具有沉积功能，可以更加简单的进行电路的设计优化与完善进步，在缩短时间的基础上达到线路修改的要求。此外，由于集成电路的芯片会涉及到线路连接与切割，因此，通常需要进行四种形式的电路修补，包括：断开金属线、连接金属线、兼顾二者的金属线操作以及单一金属线等。FIB的离子刻蚀功能可以有效地进行金属线的连接与切断。在具体应用过程中，工作人员需要先将金属线进行裸露，再将其进行沉积连接或切断操作。

此外，现阶段很多的微电子芯片内部金属线路较多，因此若使用传统的形式进行线路的纹维修与更换难度很大。例如在线路修补过程中，芯片为Cu制程，内部金属化布线较为复杂，分别为METAI1~6，根据要求工作人员需要对其进行操作点的连接。这就要求技术人员首先应该精准定位操作区域，以此降低对周围金属线的影响。并有效的运用IEE气体对表面进行处理，使用SCE去除其中最上层的金属布线，继而循环操作，直至到达目标区域，将其互联。图3为FIB-SEM双输系统线路修补图。

图 3 FIB-SEM双输系统线路修补图

（五）其他领域的应用

聚焦离子束具有非常强的微加工和微分析能力，因此被广泛用于多项工作中，利用粒子束的应用可以进行金属薄膜的结构研究以及光掩模版的高精度缺陷修补。现阶段很多真空微电子行业也会使用该技术进行零件的制作。总而言之聚焦离子束系统可以有效地进行失效分析和区域定位，并利用技术优势提升样品制备的质量和水平，进一步推动微电子领域的发展。在后续的工作过程中技术人员需继续对其进行研究，并针对实际需要拓展应用范围，以此为我国相关行业的进步创造良好的条件^[3]。

结论：综上所述，本文对双束系统的结构情况和工作原理进行了详细的阐述，发现离子束的使用可以增强刻蚀功能，有效地推动微电子领域的发展。现阶段双束聚焦离子束系统已经被广泛应用在样品制备和电路维修等工作中，且应用前景良好，相关人员要进一步加大对系统的使用，并针对其不足不断优化和完善，以此保障相关技术和系统的应用质量。

参考文献：

[1]袁锦科,黄彩清.聚焦离子束双束系统在微机电系统失效分析中的应用[J].失效分析与预防,2021,16(04):251-256.
[2]谷立新,李金华.聚焦离子束显微镜技术及其在地球和行星科学研究中的应用[J].矿物岩石地球化学通报,2020,39(06):1119-1140+1065-1066.
[3]崔帅,曹德峰,李志勇.聚焦离子束加工技术在元器件可靠性领域中的应用研究[J].环境技术,2019,34(02):26-30.