元器件可靠性領域中的 FIB 技術

在當今的科技時代，元器件的可靠性至關重要。當前，國內外元器件級可靠性質量保證技術涵蓋了眾多方面，包括元器件補充篩選試驗、破壞性物理分析（DPA）、結構分析（CA）、失效分析（FA）以及應用驗證等。其中，結構分析作為一種近年來逐漸推廣的新型技術，能夠從材料和生產工藝等多個層面深入剖析元器件，為確保元器件的可靠性發揮著關鍵作用。

而聚焦離子束（Focused Ion Beam，簡稱 FIB）技術作為一種新興的微分析和微加工技術，在元器件可靠性領域得到了廣泛的應用，為提升元器件的可靠性提供了強大的技術支持。

FIB 技術簡介

聚焦離子束技術，英文全稱為 Focused Ion Beam，簡稱 FIB。它是一種利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的離子束來轟擊材料表面，從而實現材料的剝離、沉積、注入、切割和改性等一系列操作的先進技術。FIB 技術堪稱微觀世界的納米“雕刻師”，憑借其高度集中的離子束，在納米尺度上能夠施展加工、分析與成像的精湛技藝。

以鎵離子源為核心，FIB 技術通過精確調控離子束與樣品表面的相互作用，實現納米級的精細操作。隨著納米科技的飛速發展，納米尺度制造業也迅速崛起，而納米加工作為納米制造業的核心部分，聚焦離子束技術成為了其中的代表性方法。近年來，FIB 技術利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，并配合掃描電鏡（SEM）等高倍數電子顯微鏡實時觀察，已經成為納米級分析、制造的主要方法之一。目前，它已廣泛應用于半導體集成電路修改、離子注入、切割和故障分析等多個領域。

FIB 技術的基本構成

1.離子源

液態金屬離子源是 FIB 系統的核心部件，其中液態鎵離子源最為常見。鎵金屬在加熱至熔融狀態后，會形成尖銳的發射極。在強電場的作用下，鎵原子會逐個或少量地被抽取出離子，進入加速電場區域。數千伏特的加速電壓賦予離子足夠的動能，使其具備撞擊樣品、誘發物理效應的能力。這種高能離子束是 FIB 技術實現微觀加工的基礎。

2.加速與偏轉系統

加速后的離子束并不會直接作用于樣品，而是要經過一系列電磁透鏡的聚焦。這些透鏡如同微調工具，能夠將離子束細化、集中，使其直徑可在幾納米至幾百納米之間靈活變化，從而達到納米級操作精度。偏轉系統則通過調節偏轉板上的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區域，實現對離子束方向的靈活操控，確保其能精準定位至樣品表面的任意位置。這種精準操控能力是 FIB 技術實現復雜微觀結構加工的關鍵所在。

3.樣品室與檢測系統

樣品室負責承載待測試樣品，內部維持著極高的真空度，通常在 10?? Torr 甚至更高。這種高真空環境可有效避免空氣分子對離子束的干擾，確保離子束的品質和穩定性。檢測系統則負責收集由離子束與樣品交互產生的信號，如二次離子、二次電子等，為后續的分析和研究提供重要數據。

FIB 技術的工作原理

聚焦離子束技術是一種基于離子束加工和分析的先進技術。其核心原理是利用液相金屬離子源（LMIS）產生的鎵（Gallium，Ga）離子束，在外加電場的作用下，通過聚焦和調節離子束的大小和能量，對樣品進行微納米級的加工和分析。FIB 技術不僅可以實現材料的微分析，還能用于透射電子顯微鏡（TEM）樣品的制備和納米器件的加工。

雙束 FIB 系統由掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束兩部分組成。與傳統的單束 FIB 相比，雙束 FIB 增加了掃描電子顯微鏡功能，能夠在加工后及時觀察樣品，并對失效器件進行原位分析。這種系統能夠快速定位缺陷部位，還能進行高效的樣品制備，幫助客戶減少樣品制備時間，并且不會引入新的失效模式，極大地提高了工作效率和分析的準確性。

FIB 技術的微觀運作機制

1.離子束的生成與加速

液態鎵離子源在強電場作用下，從發射極尖端逐個抽取鎵離子。這些離子進入加速電場區域后，會獲得數千伏特的加速電壓賦予的高動能，為后續撞擊樣品、誘發物理效應做好準備。

2.離子束的聚焦與掃描

加速后的離子束經過電磁透鏡的聚焦，其直徑可以靈活變化，達到納米級精度。偏轉系統通過調節偏轉板的電壓或電流，引導離子束沿預設軌跡掃描樣品區域，實現精準定位與操作。

3.離子束 - 樣品交互作用

當聚焦后的離子束照射到樣品表面時，會發生一系列復雜的物理和化學交互作用。這些交互作用包括離子束與樣品原子的碰撞、能量傳遞、原子濺射、二次電子和二次離子的產生等。

FIB 技術的應用前景

聚焦離子束技術在元器件可靠性領域已經展現出了巨大的應用潛力和價值。隨著技術的不斷發展和創新，FIB 技術將在更多領域發揮重要作用。在半導體制造中，FIB 技術可用于芯片的快速原型制作、缺陷修復和納米尺度的電路修改，提高芯片的性能和可靠性。在材料科學中，FIB 技術可用于制備高質量的透射電子顯微鏡樣品，幫助研究人員深入研究材料的微觀結構和性能關系。為了方便大家對材料進行深入的失效分析及研究，

結語

聚焦離子束技術作為一種先進的微分析和微加工技術，在元器件可靠性領域以及其他眾多領域都展現出了強大的應用價值和廣闊的發展前景。其高度集中的離子束能夠在納米尺度上實現精確的加工、分析與成像，為微觀世界的探索和改造提供了有力的工具。隨著技術的不斷進步和應用的不斷拓展，FIB 技術必將在未來的科技發展中發揮更加重要的作用，為人類創造更多的科技成果和應用價值。