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FIB 聚焦離子束顯微鏡

Focused Ion Beam

聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion Beam, FIB）是一種利用高能離子束對材料進行奈米級加工、剖面製備與微結構分析的精密分析技術。透過高能離子束聚焦於樣品表面，可進行材料的精確濺射（Sputtering）、蝕刻（Etching）與沉積（Deposition），因此 FIB 亦常被稱為 奈米級加工工具或奈米雕刻刀。

在半導體製程開發、失效分析與材料研究領域中，FIB 能夠對特定位置進行奈米級精準切割與樣品製備，並可結合掃描電子顯微鏡（SEM）形成 雙束系統（Dual Beam FIB-SEM），同時具備高解析影像觀察與微區加工能力，使其成為先進半導體分析不可或缺的核心設備。

FIB 技術原理

奈米級材料加工與精準定位剖面分析技術

聚焦離子束顯微鏡主要使用 鎵（Ga）液態金屬離子源（Liquid Metal Ion Source, LMIS） 作為離子束來源。鎵金屬熔點約為 29.76°C，在真空環境下可形成穩定的液態金屬離子源，當液態鎵沿著金屬針尖流動並施加高電場時，針尖會形成一個 泰勒錐（Taylor cone），此時鎵原子會被游離並噴射形成高能離子束，這些離子束經過電磁透鏡系統聚焦後，可形成直徑小於 10 nm 的高能離子束，由於離子束具有高動能與高電流密度（約 10⁶ A/cm²·sr），因此可對材料表面進行精確的濺射與加工，達到奈米尺度的切割與材料移除。

FIB 系統包含液態金屬離子源（LMIS）、聚焦與掃描透鏡系統、精密樣品移動平台、反應氣體注入系統（GIS）、電子或離子訊號偵測器。在先進分析設備中，FIB 通常與 SEM 結合形成 雙束系統（Dual Beam FIB-SEM），透過電子束觀察與離子束加工的結合，可在不破壞周圍結構的情況下完成高精度加工與分析。

電子束（SEM）：用於高解析影像觀察與定位
離子束（FIB）：用於精準奈米級切割、材料沉積與TEM 試片製備

FIB 分析應用

積體電路線路編修（Circuit Editing）：可透過離子束蝕刻與金屬沉積技術進行電路修補、導線切割與重新連接，以快速驗證晶片設計。
定點橫截面分析（Cross-section Analysis）：可在特定位置精準切割樣品，並透過 SEM 觀察微結構，用於製程缺陷分析與結構確認。
離子通道影像對比（Ion Channeling Contrast）：利用晶體結構與離子束的交互作用，觀察晶粒方向與晶體結構差異。
TEM 試片製備（TEM Sample Preparation）：可製備奈米級超薄樣品，提供穿透式電子顯微鏡（TEM）進行高解析分析

閎康科技 FIB 分析優勢

閎康科技建置完整的 FIB-SEM 分析平台，可提供奈米級材料加工與精準結構分析能力，透過高精度 FIB 設備與專業分析經驗，閎康科技可提供客戶高效率且高可靠度的微結構分析與奈米加工解決方案。

奈米級精準切割能力：對特定區域進行奈米尺度定位與剖面製備。
TEM 試片高品質製備：結合 Lift-out 與 Omni-probe 技術，提高 TEM 分析成功率。
電路編修與故障定位能力：支援半導體產品設計驗證與失效分析。
跨技術整合分析能力：FIB 可與 SEM、TEM、X-ray、SAT 等技術整合，形成完整分析流程。

圖｜聚焦離子束顯微鏡

液態金屬離子源。
單束系統，具備多種反應氣體例如：Br₂、XeF₂、TEOS，專攻電路編修之用。
雙束系統，匯集電子束及離子束於一機，專攻精準定位剖面切割及TEM樣品製備。

線路修補（Circuit Editing）

在積體電路產品開發階段，當首批晶片出廠時，若電路上有設計錯誤或功能不正常的狀況發生，就需要透過線路修改來驗證電路設計。在早期，需要透過修改光罩與重新投片來進行電路修改與驗證相當費時又耗財，尤其當積體電路製程持續微小化後，這個作法所需的經費更是急遽的增加。所以當 FIB 能夠執行金屬及絕緣層的沉積與蝕刻後，儼然成為微小化的晶圓廠的後段製程生產線，可以在極低的費用下，快速提供電路的編修或光罩修補，以加快產品的驗證；最多只要改版一次光罩，就可以完成產品的開發。針對積體電路產品封裝以及要編修的位置的不同，電路編修又可以分為正面編修（Front-side Editing）與背面編修（Back-side Editing）兩大類。

正面編修

是由積體電路的最上層開始施工至下層金屬層的編修位置，也就是需挖過保護層及上層的金屬導線層到欲編修位置，下方圖2即為正面電路編修的步驟範例。
背面編修

是由矽晶片底部開始施工至編修位置，也就是需挖穿矽基板及/或下層的金屬導線層到欲編修位置，圖3為背面電路編修的範例。

一般而言，編修的難度依電路結構差異而有不同，施工編修位置的可用開挖空間越大，則施工的難度越低；上層金屬導線的編修比底層的金屬導線容易；鋁金屬導線則比銅導線容易施工；正面編修則較背面編修容易。常用的編修工程包括：

絕緣層深井的開挖
金屬線的切斷或切穿
絕緣層深井的金屬填充
金屬連線、點針的金屬墊
電容、電阻製作

絕緣層沉積是由離子束來促成反應氣體裂解，進而生成 SiO₂，常用的氣體為 TEOS 或 TMCTS。金屬沉積的反應氣體則有沉積白金（Pt）的 (CH₃)Pt(CpCH₃)，沉積鎢（W）的W(CO)₆ 。

FIB沉積的 W 比 Pt 有較低的阻值，填洞的能力也好，但是沉積速率比較慢，需花費較長時間施工。而碳膜的沉積氣體則是用 C10H8 鋁金屬的蝕刻，則可用碘（I₂）、溴（Br₂）或氯（Cl₂）來達成。銅的蝕刻，則用鎵及水氣來濺蝕銅金屬；絕緣層的蝕刻，則是用 XeF₂來達成化學蝕刻反應。

左圖2 正面電路編修的步驟範例：

(a) IC開封蓋 (decapsulation)

(b) 開孔與填充金屬

(d) Pt連線

(e) M2切斷 (完工後結果

橫截面結構觀察

FIB 可以很精確地在需要做剖面切割的位置進行開挖，故障分析或是製程監控經常運用雙束 FIB 進行特定點觀察，先以電子束影像（即SEM影像）來搜尋欲切割的位置，定位後再以FIB進行切割；剖面完成後，再以電子束來取得斷面的影像，如圖 4(a) 所示。圖5(b) 為一銅導線製程之積體電路的橫截面結構。

圖｜(a) 以FIB製作橫截面試樣的程序示意圖
圖｜ (b) 9層金屬製程的IC以FIB定點橫截面切割後之橫截面SEM影像

離子通道式影像對比（Ion Channeling Contrast）

在觀測固態晶體樣品時，由於原子的規則排列，在特定的晶體方向與晶面間形成許多類似長通道的規則晶格間隙，當離子束對準這些方向時，離子可以長驅直入，不會和樣品中的表層原子產生碰撞，因而沒有二次電子或背向散射的入射離子產生，所以信號偵測器收到的信號較弱。

圖｜離子對準與未對準晶體通道方向的示意圖（圖中"穿隧的Ga+"改為"通道的Ga+"）

但是若是離子束沒有對準這些方向，在表層即會和樣品原子產生碰撞，而有較多的二次電子或背向散射的入射離子產生，信號偵測器所收到的信號較強。因此所獲得的影像會有顯著的明暗對比，這就是所謂的離子通道對比效應，如圖6所示。

圖｜ (a) 錫球橫截面的光學影像；(b) 錫球的FIB離子通道影像

離子通道影像對比效應可以清楚顯示出不同晶體的疊層結構，因此可用於晶粒大小與方向的分析。在圖7(a)中，光學顯微鏡 OM 影像顯現不同材料因反射率和折射率不同而形成的對比，或是試樣因截面研磨而造成的材質軟硬高低差，可透過此差異來分辨不同材料成份；但是圖7(b)的 FIB 離子通道影像可以進一步顯現錫球內 Pb-Sn 的晶粒結構，這些晶粒大小的分佈透露出錫球接合過程的熱處理溫度梯度，代表在 PCB 板和 IC 之間的溫差。

TEM試片製備（Pre-Thin, Lift-out, Omni-probe）

在FIB橫截面的TEM樣品製備上，有三種作法：預先薄化法（Pre-Thin）、靜電吸取法（Lift-out）、探針取出法（Omni-probe），至於FIB的選擇，則取決於樣品的分析需求。

預先薄化法

圖8(a)、(b)顯示預先薄化法的試片製備，先以研磨方式將試片減薄到 5-10 um 後，再用 FIB 減薄到可供 TEM 觀察的 0.1 um 厚度。這個方法的優點是可得到非常大面積（~50 um），且厚度均勻的 TEM 試片；由於薄區四周仍由相同材質的材料固定住，因此薄區試片不會有變形或捲曲之慮。但是這個方法必須經研磨，再經 FIB 切割，因此比較費工、耗時，且仍有研磨失敗的風險。

圖｜ (a) 預先薄化法 (Pre-Thin)
圖｜(b) 預先薄化法 (Pre-Thin)

圖｜靜電吸取法 (Lift-out)

靜電吸取法

圖9 顯示吸取法的試片製備，先以 FIB 將取樣區減薄後，再以 U 形切割將薄片與樣品分離，最後用玻璃探針以靜電吸附方式將其取出後，置於具碳膜的銅網上。這是目前最快速省時的TEM試片製備法，每個試片的製作工時在1小時以下，因此大量 TEM 試片的製作都是採用這個方法，但是這類試片一旦被擱置在碳膜上，即無法再作任何加工或重工，因此無法保証試片的最佳品質，最終試片厚度的判斷仍須仰賴 FIB 工程師的工作經驗。