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不可不知!聚焦離子束顯微術的進階分析四招式

2021/07/10

聚焦離子束顯微鏡(Focus Ion Beam Microscope, FIB)是利用質量比電子大上許多的鎵(Ga)或是氙(Xe)離子,在試片上選擇的位置,以轟擊(bombardment)或噴濺(sputtering)進行選擇性研磨(selective milling),來達到定點加工及切割試片的目的。

自從 FIB 加裝了掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)的電子槍,成為同時具備離子束切割電子束觀察的雙束系統(Dual-Beam System 或稱 DB-FIB System),「即切即看」的便利性縮短了試片定點製備到觀察之間等待及找尋位置的時間,大幅提昇試片的分析時效而受到歡迎。

 

 

雙束系統聚焦離子束顯微鏡

FIB 已經廣泛應用在定點剖面與 SEM 觀察、IC 線路編修,以及 TEM 試片製備等情境上(歡迎點擊【FIB技術原理】深入了解)。但是除了在精密切割的應用之外,還有幾招進階版的分析方式喔,趕緊往下讀,讓閎康科技引領各位成為 FIB 分析的高手!

 

 

 

進階分析第一式 | I-Beam View — 試片表面的晶格界面顯而易見

由於離子與電子都屬於帶電粒子,可以藉由電磁透鏡聚焦,因此使用聚焦離子束掃描試片表面,就能像 SEM 一樣進行成像,進而觀察試片表面的形貌。只要調整入射離子的能量,讓離子束與試片表面不同材料或區域晶格的穿隧(Tunneling)程度造成差異,形成不同的成像對比,就能達到觀察試片表面晶格界面(Grain Boundary)的目的。

 

下圖為 I-beam View 與 E-beam View 對於觀察銅晶格影像的效果差異。I-beam View 影像是經由離子束掃描的銅晶格成像,晶格界面(Grain Boundary)清楚可見;對比之下,以 SEM 掃描的 E-beam View 影像上的晶格界面就沒有那麼清楚了。 

 

I-beam View

E-beam View

 

 

進階分析第二式 輔助性氣體蝕刻 — 微蝕試片表面差異再強化

除了切割試片及獲得影像的功能之外,聚焦離子束顯微鏡還有一個非常強大的功能「FIB電路修補」(FIB Circuit Repair or FIB-CKT),特別是IC設計業常運用在電路設計變更的先期驗證階段,減少重新製作新版光罩的研發成本。

 

其原理是藉由在試片表面通入有機前導物(precursor)氣體,再用離子束對準轟擊將前導物的有機鍵結打斷,產生金屬沉積而形成導線,達到電路修補的需求。詳細的技術原理及分析應用實例,歡迎點擊【FIB技術原理】深入了解唷!

 

再回頭來說,通入聚焦離子束顯微鏡的氣體除了用於沉積導線的有機金屬錯合物之外,也可以通入其他具有腐蝕性的輔助蝕刻氣體(例如:I2XeF等),雖然通入這些腐蝕氣體的原意是為了提高電路修補時金屬或氧化物的蝕刻率,但是我們也可以在切出 IC 元件的橫截面後,通入具有選擇性蝕刻特性的氣體,在試片表面進行微蝕,產生類似 Junction Staining(接面染色)的效果,強化影像的對比。

 

下圖顯示了輔助性氣體蝕刻藉由微蝕試片表面來強化目標位置的差異,試片表面在經過輔助性氣體 XeF的選擇性蝕刻,將多晶矽(Poly-Silicon)移除之後,能夠更清楚觀察到目標區域的結構;藉由同樣的機制,也可以選擇其他對金屬或氧化物具有高選擇性的氣體,來加深目標區域的對比性。這樣的處理方式在故障分析(Failure Analysis)觀察目標結構細微差異的時候非常有幫助。

 

蝕刻處理前

經過XeF2氣體微蝕多晶矽區域

 

 

進階分析第三式消除窗簾效應 — 降低影像判讀上的惱人困擾

「窗簾效應 Curtain Effect」是指經過 FIB 切削之後,在試片橫截面的下半部出現與離子入射方向平行的條紋(如下圖左),這是由於切削面上方的不同材料(例如金屬及氧化層)受到離子切削的蝕刻率不均而影響產生。這類具特定方向性的條痕,除了不美觀之外,有時也會造成判讀上的困擾,因此需要加以消除。

 


窗簾效應(Curtain Effect)可經由調控離子劑量等參數來消除

 

常見的改善方式有以下幾種:

  1. 直接避開離子蝕刻率不均的區域:如果能夠選擇位置,儘量避開圖形密區(Dense Area)、選擇疏區(Iso Area)。
  2. 在試片表面增加保護層:透過在表面增加一層緻密保護層,降低離子束直接切在不同材料上時蝕刻率不均的因素。
  3. 改變聚焦離子的蝕刻率(Milling Rate):儘量根據不同材料選擇適切的蝕刻率做彈性調整,常見的切削材質及對應蝕刻率可參考下表。

 

 

 

進階分析第四式 訊號解讀要小心 - 別被切削噴濺及回填蒙蔽了雙眼

當 FIB 切削面上涵蓋了空洞或是脫層(Delamination)這類沒有材料填充的隙縫時,空洞附近的材料常因為切削被噴濺起來(Re-Sputtering)而回填(Re-Deposition)到空洞裡,使得在空孔的邊緣也能觀察到一層相同成份的殘留物。

 

例如下圖左是一個具有空孔結構切削面試片,空孔上方的鎵(Ga)(下圖中)以及空孔下方的銅(Cu)(下圖右)都因為切削時的回填而堆積在空孔周圍,若不小心解讀,可能因此誤解這些材料是原本就存在,進而推論出錯誤的分析結果。

 

這些回填到空孔裡的訊號,需要由有經驗的工程師來審慎檢視,並適當地予以濾除;有時也可以預先在空洞填入膠材,或是填入與目標物成分差異明顯的已知材料,再來進行 FIB 切削,就可以事先避免因切削造成的回填效應影響判讀。

 


試片橫截面上的空孔邊緣的切削噴濺回填效應

 

 

如果以各種不同的試片製備及觀察工具來比較,聚焦離子束顯微術就像是精細的微創手術,只在試片上的目標位置執行製備及觀察,保有試片最大的完整性,是送件率非常高的分析技術。若想複習其他試片製備及觀察工具,歡迎點擊【觀察試片截面時,該如何選擇試片製備與觀察工具?】文章閱讀。

 

希望藉由此篇所傳授的 FIB 進階分析四招式,幫助各位更加善用聚焦離子束顯微技術,精準有效地解決分析需求!