行業科普 | 聚焦離子束（FIB）技術，光學鍍膜人轉起

博頓導讀

聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB）憑藉其獨特的微/納尺度加工製造能力和優勢，已成為多領域科技工作者不可或缺的工具之一。近年來FIB系統在我國的安裝數量逐年攀升，從事FIB的科技人員也逐年增加。今天帶來離子束（FIB）技術科普，推薦每個光學鍍膜人閱讀並交流探討。

聚焦離子束( FIB) 技術的快速發展和實用化要歸功於液態金屬離子源的開發。

1970 年代初期美國Argonne 國家實驗室的V.E.Krohn 和G..R.Ringo、英國Cluham 實驗室的R.Clampitt 和美國Oregon 研究中心的J.Orloff 和L.W.Swanson 等人先後開發了不同類型的液態金屬離子源, 並嘗試應用於FIB 系統。

1978 年美國加州休斯研究所的R.L.Seliger 等人建立了世界上第一臺Ga+ 液態金屬離子源的FIB 加工系統, 開創了FIB 實用化的先河。該系統的離子束斑直徑為100 nm, 束流密度1.5 A/cm2, 束亮度達到3.3×106 A/cm2·sr。

到1980 年代和1990 年代, 在機理研究、裝備研製和應用技術研究方面, FIB 技術都取得了長足進步，不同用途、多種結構的商品型FIB 系統批量投入市場, 配備到各類研究實驗室, 一部分也進入半導體集成電路製造廠。

聚焦離子束技術在微電子行業的廣泛應用, 大大提高了微電子工業上材料、工藝、器件分析及修補的精度和速度, 目前已經成為電子技術領域必不可少的關鍵技術之一。

FIB系統的工作原理

FIB 技術是利用靜電透鏡將離子束聚焦成極小尺寸的顯微切割技術，目前商用FIB 系統的粒子束是從液態金屬離子源中引出。

FIB技術在晶片設計及加工過程中的應用

1）IC晶片電路修改 　　

用FIB對晶片電路進行物理修改可使晶片設計者對晶片問題處作針對性的測試,以便更快更準確的驗證設計方案。 若晶片部分區域有問題,可通過FIB對此區域隔離或改正此區域功能,以便找到問題的癥結。FIB還能在最終產品量產之前提供部分樣片和工程片,利用這些樣片能加速終端產品的上市時間。利用FIB修改晶片可以減少不成功的設計方案修改次數，縮短研發時間和周期。

2）Cross-Section 截面分析

用FIB在IC晶片特定位置作截面斷層,以便觀測材料的截面結構與材質,定點分析晶片結構缺陷。

3）Probing Pad 　　

在複雜IC線路中任意位置引出測試點, 以便進一步使用探針臺(Probe- station) 或 E-beam 直接觀測IC內部信號。

聚焦離子束技術在微納加工技術上的主要應用

FIB 技術是當今微納加工和半導體集成電路製造業十分活躍的研究領域。由於它集材料刻蝕、沉積、注入、改性於一身, 有望成為高真空環境下實現器件製造全過程的主要加工手段。

目前, FIB 技術主要應用在: ① 光掩模的修補; ② 集成電路的缺陷檢測分析和修整; ③TEM 和STEM的薄片試樣製備; ④ 硬碟驅動器薄膜頭( TFH) 的製造。

同時, FIB 其他一些重要應用還在開發中,它們是: ① 掃描離子束顯微鏡(SIM); ②FIB 直接注入; ③FIB 曝光, 包括掃描曝光和投影曝光; ④多束技術和全真空聯機技術⑤FIB 微結構製造( 刻蝕、沉積) ; ⑥ FIB/SIMS( 二次離子質譜儀) 技術。

基於聚焦離子束技術的微刀具製備方法

將FIB技術的應用擴展到微型刀具的加工中，在設計組建的聚焦離子束系統與高精度的旋轉器相結合的實驗平臺上，利用聚焦離子束的銑削功能對不同材料的刀具毛坯進行複雜三維結構的微刀具加工。通過設定恰當的聚焦離子束加工參數以及精確控制刀具毛坯與離子束入射方向之間的方位，輸入不同的灰度圖像精確控制ＦＩＢ銑削，能夠加工各種複雜幾何形狀的微刀具。與其他傳統的刀具加工方法相比，本發明提出的方法具有精度高、可重複性強、應力應變小、可在線觀測、適用於各種材料和幾何形狀等優點。

可以想像，FIB 像一把尖端只有數十nm 的手術刀。離子束在靶表面產生的二次電子成像具有數nm 的顯微分辨能力，所以FIB 系統相當於一個可以在高倍顯微鏡下操作的微加工臺它可以用來在任何一個部位濺射剝離或沉積材料。用FIB在一個微球上挖了一個環形坑。這種微細加工操作是任何其他一種微加工手段所無法做到的。

FIB 這種微切割能力已用於量產，現代計算機的讀寫微磁頭就是用FIB 加工的。傳統光學曝光方法製作的讀寫磁頭比較大，所以在傳統微加工工序之後，利用FIB再對磁頭部分改形，通過FIB切割可以將磁頭部分縮小到只有100nm 左右，大大提高了磁頭的解析度，提高了硬碟的讀寫密度。用FIB對一個磁頭改形只要，整個定位和加工都是自動化的。

聚離子束技術及組合系統顯示了巨大的應用潛力，它的精確定位、顯微觀測和細微加工功能使其在微電子領域中扮演重要角色。相信, 隨著我國微電子工業的發展, 聚焦離子束設備及應用技術也必將被提高到一個新的水平。

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