FIB 集束イオンビーム顕微鏡

FIB設備の具体的な応用は大まかに分類できます：

1. 集積回路の回路修正
2. 定点断面とSEM観察
3. 離子穿隧影像對比（Ion Channeling Contrast）
4. 透過型電子顕微鏡（TEM）試料の準備

図1　フォーカスイオンビーム顕微鏡

液体金属イオン源

(b) 単束システムで、Brなどのさまざまな反応ガスを備えています。₂、XeF₂、TEOS、回路修正に特化した用途

(c) ダブルビームシステムは、電子ビームとイオンビームを1つの装置に集約し、精密なプロファイル切断とTEM試料の準備に特化しています。

集積回路製品の開発段階において、初回のチップが出荷される際に回路に設計ミスや機能不全が発生した場合、回路設計を検証するために回路修正を行う必要があります。初期には、光掩膜の修正と再投片を通じて回路の修正と検証を行う必要があり、非常に時間と費用がかかりました。特に集積回路プロセスが微細化されるにつれて、この方法に必要な費用は急激に増加しました。したがって、FIBが金属および絶縁層の堆積とエッチングを実行できるようになったことで、微細化されたウェーハ工場の後工程生産ラインとして、極めて低コストで迅速に回路の編集や光掩膜の修正を提供し、製品の検証を加速することが可能になりました。最大で一度の光掩膜の改版で製品の開発を完了することができます。集積回路製品のパッケージングや修正する位置の違いに応じて、回路修正は正面修正（Front-side Editing）と背面修正（Back-side Editing）の二つに分けられます。

 

 

一般的に、編集の難易度は回路構造の違いによって異なり、施工編集位置の可用掘削スペースが大きいほど、施工の難易度は低くなります。上層の金属導線の編集は、下層の金属導線よりも容易です。アルミニウム金属導線は銅導線よりも施工が容易です。表面編集は裏面編集よりも容易です。一般的に使用される編集工程には、

• 絶縁層深井の掘削
• 金属線の切断または切り抜き
• 絶縁層深井の金属充填
• 金属接线、点针的金属垫
• コンデンサー、抵抗の製作

 

絶縁層の堆積は、イオンビームによって反応ガスの分解を促進し、SiOを生成します。₂，一般に使用されるガスはTEOSまたはTMCTSです。金属堆積の反応ガスには、白金（Pt）を堆積させるための(CH₃)Pt(CpCH₃）、タングステン（W）のW(CO)₆ 。

 

FIBによるWの沈着はPtよりも抵抗値が低く、穴埋め能力も優れていますが、沈着速度は比較的遅く、施工に長い時間がかかります。一方、炭素膜の沈着ガスはC10H8を用い、アルミニウム金属のエッチングにはヨウ素（I）を使用できます。₂）、臭素（Br₂）または塩素（Cl₂）来达成。铜的蚀刻，则用镓及水气来溅蚀铜金属；绝缘层的蚀刻，则是用 XeF₂化学エッチング反応を達成するために。

 

左図2 正面回路編集の手順の例：

(a) ICのデカプセル化 (decapsulation)

(b) 開孔と金属の充填

(c) 接続と切断 (計画)

(d) Pt接続

(e) M2切断 (完工後結果)

FIBは、必要な断面切断の位置で非常に正確に掘削を行うことができるため、故障分析やプロセス監視では、特定のポイント観察に二束FIBがよく使用されます。まず電子ビーム画像（すなわちSEM画像）を用いて切断位置を検索し、位置を特定した後にFIBで切断を行います。断面が完成した後、再度電子ビームを用いて断面の画像を取得します。図4(a)に示されています。図5(b)は、銅導線プロセスの積層回路の横断面構造です。

固体結晶サンプルを観測する際、原子が規則正しく配置されているため、特定の結晶方向と結晶面の間に多くの長い通路のような規則的な格子間隙が形成されます。イオンビームがこれらの方向に合わせられると、イオンは直進し、サンプル内の表面原子と衝突することがないため、二次電子や背向き散乱の入射イオンが生成されず、信号検出器が受信する信号は比較的弱くなります。

図6　イオンの整列と未整列の結晶チャネル方向の示意図（図中の"トンネルのGa+"を"チャネルのGa+"に変更）

 

固体結晶サンプルを観測する際、原子が規則正しく配列されているため、特定の結晶方向と結晶面の間に多くの類似した長い通路の規則的な格子間隙が形成されます。イオンビームがこれらの方向に合わせられると、イオンは長く直進し、サンプル内の表面原子と衝突することがないため、二次電子や後方散乱の入射イオンが生成されず、信号検出器が受信する信号が弱くなります。

 

しかし、もしイオンビームがこれらの方向に対して正確に照準を合わせていない場合、表面で試料の原子と衝突し、より多くの二次電子や後方散乱された入射イオンが生成され、信号検出器が受け取る信号が強くなります。したがって得られる画像には顕著な明暗のコントラストがあり、これがいわゆるイオンチャネルコントラスト効果です。図6に示されています。

 

 

 

 

 

図7 (a) スズボールの横断面の光学画像；(b) スズボールのFIBイオンチャネル画像

イオンチャネル画像対比効果は、異なる結晶の層状構造を明確に示すことができるため、結晶粒のサイズと方向の分析に使用できます。図7(a)では、光学顕微鏡OM画像が反射率と屈折率の違いによって異なる材料が形成するコントラスト、または試料が断面研磨によって引き起こされる材料の硬さの高低差を示しており、この違いを通じて異なる材料成分を識別できます。しかし、図7(b)のFIBイオンチャネル画像は、スズボール内のPb-Snの結晶粒構造をさらに示すことができ、これらの結晶粒サイズの分布は、スズボールの接合プロセスにおける熱処理温度勾配を明らかにし、PCB基板とICの間の温度差を示しています。

FIBの断面TEM試料の作製には、3つの方法があります：予備薄化法（Pre-Thin）、静電吸引法（Lift-out）、プローブ取り出し法（Omni-probe）です。FIBの選択は、試料の分析ニーズによって決まります。

予め薄化法

図8(a)、(b)は予備薄化法の試片製備を示しており、まず研磨によって試片を5-10umまで薄くし、その後FIBでTEM観察に適した0.1umの厚さに薄化します。この方法の利点は非常に大きな面積（約50um）で、かつ厚さが均一なTEM試片を得ることができることです。薄い部分の周囲は同じ材料で固定されているため、薄い部分の試片は変形や巻き込みの心配がありません。しかし、この方法は研磨を経てFIB切断を行う必要があるため、比較的手間がかかり、時間もかかり、研磨が失敗するリスクも残ります。

図9 静電吸引法 (Lift-out)

 

 

 

 

静電吸引法

図9は吸引法による試料の調製を示しており、まずFIBを使用してサンプリング領域を薄化し、その後U字型切断で薄片を試料から分離し、最後にガラスプローブを静電吸着方式で取り出して、炭素膜のある銅網に置く。この方法は現在最も迅速で時間を節約できるTEM試料の調製法であり、各試料の製作時間は1時間未満であるため、大量のTEM試料の製作はこの方法が採用されている。しかし、この種の試料は一度炭素膜の上に置かれると、再加工や再作業ができないため、試料の最良の品質を保証することはできず、最終的な試料の厚さの判断はFIBエンジニアの作業経験に依存する。

 

 

 

 

 

 

 

探針取出法

図10はプローブ抽出法を示しており、試料をFIB粗切りで1-2mm程度サンプルから切り離した後、FIBでPtを堆積させてプローブと試料を接合し、プローブを移動させて試料を試料台に移動させる。FIBでPtを堆積させて試料を試料台に接合した後、再度FIBを使用してプローブを試料から切り離し、最後にFIBで試料をTEM観察に適した薄さに仕上げる。

 

これは最も複雑で、最も時間がかかるTEM試料の準備方法で、全作業時間は約1.5〜2時間ですが、この方法ではTEM観察後に、もし局所的な修整が必要な試料の厚さがあれば、FIBに出入りして再施工することができます。したがって、TEM試料の準備においてゼロエラーとゼロリスクを保証することができ、通常、非常に重要な試料分析にはこの方法が採用されます。

 

左図10 プローブ取り出し法（Omni-probe）TEM試料作成過程の各ステップ記録：

(a)、(b) 切り取った試料にプローブを貼り付ける

(c) プローブ試料

試片を試片座に貼り付ける

(e) 試片上のプローブを切断する

(f) 試料ホルダーと試料をTEM観察に置く