FIB 集束イオンビーム顕微鏡

Focused Ion Beam

集束イオンビーム顕微鏡（Focused Ion Beam, FIB）は、高エネルギーイオンビームを用いて材料のナノレベル加工、断面作製および微細構造分析を行う精密分析技術です。高エネルギーイオンビームを試料表面に集束させることで、材料の精密なスパッタリング（Sputtering）、エッチング（Etching）および堆積（Deposition）が可能であり、そのため FIB はナノレベル加工ツールまたはナノ彫刻刀。

半導体プロセス開発、故障分析、材料研究の分野において、FIBは特定の位置に対してナノレベルの精密切断とサンプル準備を行うことができ、走査型電子顕微鏡（SEM）と組み合わせることができます。双束システム（Dual Beam FIB-SEM）同時、高解像度の画像観察と微小領域加工能力を備えており、先進的な半導体分析に欠かせないコア設備となっています。

FIB技術の原理

ナノ級材料加工と精密位置決め断面分析技術

集束イオンビーム顕微鏡は主にガリウム（Ga）液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source, LMIS）イオンビームのソースとして。ガリウム金属の融点は約29.76°Cで、真空環境下で安定した液体金属イオン源を形成できる。液体ガリウムが金属針の先端に沿って流れ、高電場が加えられると、針の先端は形成される。泰勒錐（Taylor cone）この時、ガリウム原子はイオン化され、高エネルギーイオンビームを形成するために噴射されます。これらのイオンビームは、電磁レンズシステムを通過して焦点を合わせると、直径が小さくなります。10 nm高エネルギーイオンビームは、イオンビームが高い動エネルギーと高電流密度（約10⁶ A/cm²·sr）を持っているため、材料表面に対して精密なスパッタリングと加工を行い、ナノスケールの切断と材料除去を達成することができます。

FIBシステムには、液体金属イオン源（LMIS）、焦点およびスキャンレンズシステム、精密サンプル移動プラットフォーム、反応ガス注入システム（GIS）、電子またはイオン信号検出器が含まれています。先進的な分析装置の中で、FIBは通常SEMと組み合わせて形成されます。双束システム（Dual Beam FIB-SEM）電子ビーム観察とイオンビーム加工の組み合わせにより、周囲の構造を破壊することなく高精度な加工と分析を行うことができます。

電子ビーム（SEM）高解像度の画像観察と位置決めに使用される
イオンビーム（FIB）精密なナノレベルの切断、材料の堆積、TEM試料の準備に使用される

FIB分析応用

集積回路の回路編集（Circuit Editing）：イオンビームエッチングと金属堆積技術を通じて回路の修復、導線の切断と再接続を行い、チップ設計の迅速な検証を実現します。
定点横断面分析（Cross-section Analysis）：特定の位置で正確にサンプルを切断し、SEMを通じて微細構造を観察し、プロセスの欠陥分析と構造の確認に使用されます。
イオンチャネリングコントラスト：結晶構造とイオンビームの相互作用を利用して、結晶粒の方向と結晶構造の違いを観察する。
TEM試料の準備（TEM Sample Preparation）：ナノスケールの超薄サンプルを準備でき、透過型電子顕微鏡（TEM）による高解像度分析を提供します。

MA-tek FIB 分析優勢

MA-tekが完全なFIB-SEM分析プラットフォーム、ナノレベルの材料加工と精密構造分析能力を提供し、高精度のFIB装置と専門的な分析経験を通じて、MA-tekは顧客に高効率で高信頼性の微細構造分析とナノ加工ソリューションを提供できます。

ナノレベルの精密切断能力：特定の領域に対してナノスケールの位置決めと断面作成を行います。
TEM試料の高品質作製：Lift-out と Omni-probe 技術を組み合わせて、TEM 分析の成功率を向上させる。
回路修正と故障位置特定能力：半導体製品の設計検証と故障解析をサポートします。
クロステクノロジー統合分析能力：FIBはSEM、TEM、X線、SATなどの技術と統合され、完全な分析プロセスを形成します。

図｜集束イオンビーム顕微鏡

液体金属イオン源。
単束システムは、Brなどのさまざまな反応ガスを備えています。₂、XeF₂、TEOS、回路修正専用。
二束システムは、電子ビームとイオンビームを1つの装置に集約し、精密な位置決めの断面切断およびTEM試料の準備を専門としています。

回路修復（Circuit Editing）

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が必要です。初期には、光マスクを修正し再度ウェーハを投影することで回路の修正と検証を行う必要があり、非常に時間がかかり費用もかさみました。特に集積回路のプロセスが微細化するにつれて、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ると、微細化されたウェーハファブリケーション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修正や光マスクの修補を提供できるようになり、製品の検証を加速することが可能になりました。最大で光マスクを一度改版するだけで、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および修正する位置に応じて、回路修正は前面修正（Front-side Editing）と背面修正（Back-side Editing）の二つの大きなカテゴリに分けられます。

正面編修

最上層の集積回路から施工を開始し、下層の金属層の修正位置に至る。つまり、保護層と上層の金属導線層を掘り進めて修正位置に到達する必要がある。下の図2は、正面回路修正の手順の例である。
背面編修

シリコンチップの底部から施工を開始し、修正位置まで、すなわちシリコン基板および/または下層の金属導線層を貫通して修正位置に到達する必要があります。図3は背面回路修正の例です。

一般的に、修正の難易度は回路構造の違いによって異なり、施工修正位置の利用可能な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。上層の金属導線の修正は下層の金属導線よりも容易であり、アルミニウム金属導線は銅導線よりも施工が容易です。表面修正は裏面修正よりも容易です。一般的に使用される修正作業には、:

絶縁層深井の掘削
金属配線の切断または貫通
絶縁層深井の金属充填
金属接続、プローブ用金属パッド
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解裂を促進し、SiOを生成します。₂。常用のガスはTEOSまたはTMCTSです。金属堆積の反応ガスには、白金（Pt）を堆積するための(CH₃)Pt(CpCH₃）、タングステン（W）のW(CO)₆ 。

FIBによるWの堆積はPtよりも抵抗値が低く、穴埋め能力も優れていますが、堆積速度は比較的遅く、施工に長い時間がかかります。一方、炭素膜の堆積ガスはC10H8アルミニウムのエッチングに使用され、ヨウ素（I）を使用できます。₂）、臭素（Br₂）または塩素（Cl₂）によって行います。銅のエッチングにはガリウムと水蒸気を用いて銅金属をスパッタエッチングし、絶縁層のエッチングには XeF₂化学エッチング反応を達成するために。

左図2 正面回路修正の手順の例：

(a) ICのデカプセル化

(b) 開孔と金属の充填

(d) Pt接続

(e) M2切断 (完工後結果

断面構造観察

FIBは、必要な断面切削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のために二束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）を使用して切削位置を検索し、位置を特定した後にFIBで切削を行います。断面が完成した後、電子ビームを使用し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、銅導線プロセスの集積回路の横断面構造です。

図｜(a) FIBを用いて断面試料を作成する手順の示意図
図｜ (b) 9層金属プロセスのICをFIBで定点横断面切断した後の横断面SEM画像

イオンチャネリングコントラスト（Ion Channeling Contrast）

固体結晶試料を観測する際、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長い通路のような規則的な格子間隙が形成される。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、試料の表面原子と衝突することがなく、二次電子や逆散乱の入射イオンが生成されないため、信号検出器が受け取る信号は弱くなる。

図｜イオンの整列と未整列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）

固体結晶試料を観測する際、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向けられると、イオンは直進し、試料の表面原子と衝突することがなく、二次電子や逆散乱の入射イオンが生成されないため、信号検出器が受け取る信号は弱くなります。

しかし、もしイオンビームがこれらの方向に対して整列していない場合、表面で試料原子と衝突し、より多くの二次電子や背面散乱の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、得られた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｜ (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のコントラスト効果は、異なる結晶の層状構造を明確に示すことができるため、粒子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画像が異なる材料の反射率と屈折率の違いによって形成されたコントラストや、試料の断面研磨によって引き起こされた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の結晶構造をさらに明示することができ、これらの結晶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示しており、PCB基板とIC間の温度差を表しています。

TEM試料作製（Pre-Thin, Lift-out, Omni-probe）

FIBの断面TEM試料の製作には、3つの方法があります：プレシンキング法（Pre-Thin）、静電吸引法（Lift-out）、プローブ取り出し法（Omni-probe）。FIBの選択は、試料の分析ニーズに依存します。

予備薄化法

図8(a)、(b)は予備薄化法による試料作製を示しており、まず研磨によって試料を5〜10μmまで薄くした後、FIBを用いてTEM観察に適した0.1μmの厚さまで薄化します。この方法の利点は、非常に大面積（〜50μm）で厚さが均一なTEM試料を得られる点です。薄い領域の周囲は同じ材料で支持されているため、薄い領域の試料が変形したり巻き上がったりする心配はありません。しかし、この方法は研磨を経てFIB加工を行う必要があるため、比較的手間と時間がかかり、研磨が失敗するリスクも残ります。

図｜ (a) 予め薄化法 (Pre-Thin)
図｜(b) 予め薄化法 (Pre-Thin)

図｜静電吸引法 (Lift-out)

静電吸引法

図9は吸引法による試料の準備を示しています。まずFIBを使用してサンプリングエリアを薄くし、その後U字型切断で薄片をサンプルから分離します。最後にガラスプローブを静電吸着方式で取り出し、炭素膜の上に置きます。これは現在最も迅速で時間を節約できるTEM試料の準備方法であり、各試料の製作時間は1時間未満です。そのため、大量のTEM試料の製作はこの方法が採用されています。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くなるため、試料の最適な品質を保証することはできません。最終的な試料の厚さの判断は、依然としてFIBエンジニアの作業経験に依存します。

探針取出法

図10はプローブ取り出し法を示しており、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を堆積し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ます。FIBでPtを堆積し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ます。

これは最も複雑で、最も時間のかかるTEM試料の準備方法であり、全作業時間は約1.5〜2時間ですが、この方法ではTEM観察後に試料の厚さに局所的な修整が必要な場合、FIBに出入りして再施工することができるため、TEM試料の準備におけるゼロエラーとゼロリスクを保証できます。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。

図10 プローブ取り出し法（Omni-probe）による TEM試料作製工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

(d) 試料を試料ホルダーに貼り付ける

(e) 試料上のプローブを切り離す

(f) TEM観察のために試料ホルダーと試料を置く