【博主簡介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

當(dāng)前，國內(nèi)外元器件級(jí)可靠性質(zhì)量保證技術(shù)主要包括元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)、破壞性物理分析（DPA）、結(jié)構(gòu)分析（CA）、失效分析（FA）以及應(yīng)用驗(yàn)證等。其中，結(jié)構(gòu)分析是近年來逐漸推廣的新型技術(shù)，它可以從材料和生產(chǎn)工藝等方面對元器件進(jìn)行深入分析，為元器件的可靠性提供重要保障。而近年來，“聚焦離子束”（FIB）這種技術(shù)作為一種新型的微分析和微加工技術(shù)，在元器件可靠性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為提高元器件的可靠性提供了重要的技術(shù)支持。

一、FIB技術(shù)的簡介

聚焦離子束技術(shù)，其英文全稱為：Focused lon beam，簡稱：FlB，它是利用電透鏡將離子?xùn)|聚焦成非常小尺寸的離子?xùn)|轟擊材料表面，實(shí)現(xiàn)材料的剝離、沉積、注入、切割和改性?？梢哉f，“聚焦離子束技術(shù)”堪稱微觀世界的納米“雕刻師”，因憑借其高度集中的離子束，在納米尺度上施展著加工、分析與成像的精湛技藝。FIB 技術(shù)以鎵離子源為核心，通過精確調(diào)控離子束與樣品表面的相互作用，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的精細(xì)操作。

隨著納米科技的發(fā)展，納米尺度制造業(yè)發(fā)展迅速，而納米加工就是納米制造業(yè)的核心部分，納米加工的代表性方法就是聚焦離子束。近年來發(fā)展起來的聚焦離子束技術(shù)(FIB)利用高強(qiáng)度聚焦離子束對材料進(jìn)行納米加工，配合掃描電鏡(SEM)等高倍數(shù)電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察，成為了納米級(jí)分析、制造的主要方法。目前已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路修改、離子注入、切割和故障分析等。

二、FIB技術(shù)的基本構(gòu)成

1、離子源

液態(tài)金屬離子源是 FIB 系統(tǒng)的核心部件，其中液態(tài)鎵離子源最為常見。鎵金屬在加熱至熔融狀態(tài)后，形成尖銳的發(fā)射極。在強(qiáng)電場作用下，鎵原子逐個(gè)或少量地被抽取出離子，進(jìn)入加速電場區(qū)域。數(shù)千伏特的加速電壓賦予離子足夠的動(dòng)能，使其具備撞擊樣品、誘發(fā)物理效應(yīng)的能力。這種高能離子束是 FIB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)微觀加工的基礎(chǔ)。

2、加速與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

加速后的離子束并非直接作用于樣品，而是要經(jīng)過一系列電磁透鏡的聚焦。這些透鏡如同微調(diào)工具，將離子束細(xì)化、集中，使其直徑可在幾納米至幾百納米間靈活變化，達(dá)到納米級(jí)操作精度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板上的電壓或電流，引導(dǎo)離子束沿預(yù)設(shè)軌跡掃描樣品區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對離子束方向的靈活操控，確保其能精準(zhǔn)定位至樣品表面的任意位置。這種精準(zhǔn)操控能力是 FIB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵。

3、樣品室與檢測系統(tǒng)

樣品室負(fù)責(zé)承載待測試樣品，內(nèi)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(huán)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(zhì)和穩(wěn)定性。檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集由離子束與樣品交互產(chǎn)生的信號(hào)，如二次離子、二次電子等。

三、FIB技術(shù)的工作原理

聚焦離子束技術(shù)是一種基于離子束加工和分析的先進(jìn)技術(shù)。其核心原理是利用液相金屬離子源（LMIS）產(chǎn)生的鎵（Gallium，Ga）離子束，在外加電場的作用下，通過聚焦和調(diào)節(jié)離子束的大小和能量，對樣品進(jìn)行微納米級(jí)的加工和分析。FIB技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)由掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束兩部分組成。與傳統(tǒng)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(shí)觀察樣品，并對失效器件進(jìn)行原位分析。金鑒實(shí)驗(yàn)室的雙束FIB系統(tǒng)不僅能夠快速定位缺陷部位，還能進(jìn)行高效的樣品制備，幫助客戶減少樣品制備時(shí)間，并且不會(huì)引入新的失效模式。

四、FIB技術(shù)的微觀運(yùn)作機(jī)制

1、離子束的生成與加速

液態(tài)鎵離子源在強(qiáng)電場作用下，從發(fā)射極尖端逐個(gè)抽取鎵離子。這些離子進(jìn)入加速電場區(qū)域，獲得數(shù)千伏特的加速電壓賦予的高動(dòng)能，為后續(xù)撞擊樣品、誘發(fā)物理效應(yīng)做好準(zhǔn)備。

2、離子束的聚焦與掃描

加速后的離子束經(jīng)過電磁透鏡的聚焦，直徑可靈活變化，達(dá)到納米級(jí)精度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板的電壓或電流，引導(dǎo)離子束沿預(yù)設(shè)軌跡掃描樣品區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與操作。

3、離子束 - 樣品交互作用

蝕刻原理：高能離子束撞擊樣品時(shí)，離子將高動(dòng)能傳遞給樣品原子，導(dǎo)致這些原子被高速彈出樣品表面，實(shí)現(xiàn)材料的精密去除。

沉積技術(shù)：通過向樣品室內(nèi)引入特定氣體前驅(qū)體，在離子束轟擊下，氣體分解并在樣品表面形成均勻薄膜沉積。這種方法可用于修補(bǔ)電路、創(chuàng)建導(dǎo)電連接或制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品支架，為微觀加工提供了更多的可能性。

成像機(jī)制：離子束與樣品相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)出二次電子、背散射離子等信號(hào)。通過檢測這些信號(hào)，可獲取樣品表面形貌的詳細(xì)信息，其成像原理與掃描電子顯微鏡（SEM）類似。結(jié)合 SEM 功能的雙束系統(tǒng)，成像質(zhì)量可進(jìn)一步提升。

五、FIB技術(shù)的主要功能

1、蝕刻

FIB 利用高能離子束的物理濺射效應(yīng)，可在納米尺度上進(jìn)行極其精細(xì)的切割、鉆孔或雕刻。它廣泛應(yīng)用于微電子器件的制造和修復(fù)，如定位并切除有問題的電路部分，以便進(jìn)一步分析故障原因。

2、沉積

FIB 不僅能移除材料，還能在特定位置沉積新材料。通過引入氣體前驅(qū)體，在離子束作用下分解并形成薄膜沉積。這種方法可用于修補(bǔ)損壞的電路、創(chuàng)建導(dǎo)電連接或制備 TEM 樣品支架，為納米制造提供了更多可能性。

3、成像

離子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號(hào)可被收集并轉(zhuǎn)換為圖像，顯示樣品的表面特征。雖然 FIB 的成像分辨率略低于 SEM，但它可以在加工前后立即對結(jié)果進(jìn)行檢查?，F(xiàn)代 FIB 設(shè)備常結(jié)合 SEM 形成“雙束”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像與精準(zhǔn) FIB 加工的完美結(jié)合。

4、斷層掃描與三維重建

通過一系列薄切片的連續(xù)截面圖像，F(xiàn)IB 可構(gòu)建出樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型。

5、TEM 樣品制備

FIB 能從塊狀材料中提取厚度僅為數(shù)十納米的薄片，這些薄片足夠透明以供 TEM 觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對于硬質(zhì)或脆性材料，F(xiàn)IB 是制備 TEM 樣品的理想選擇，傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的樣品制備。這種能力使得 FIB 技術(shù)在材料科學(xué)和生物學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

6、納米操縱與組裝

利用 FIB 可實(shí)現(xiàn)對單個(gè)納米粒子或納米線的操作，如移動(dòng)、焊接或切割。

7、材料改性

FIB 可用于改變材料的表面特性，例如通過局部摻雜或改變化學(xué)成分來調(diào)整其電學(xué)、光學(xué)或其他物理性質(zhì)。這種表面處理能力為開發(fā)新材料、優(yōu)化材料性能提供了新的途徑。

六、FIB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1、高精度

FIB 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)別的加工精度，這對于現(xiàn)代高度集成的芯片來說極為重要。芯片上的微小結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的電路布局需要極高的加工精度來確保修改和修復(fù)的準(zhǔn)確性。

2、多功能性

單一設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)蝕刻、沉積及成像等多種功能，有效簡化了處理流程。

3、快速原型制作

FIB技術(shù)可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行各種加工和分析操作，無論是電路修改、故障分析還是結(jié)構(gòu)分析，都能提供靈活的解決方案。在芯片調(diào)試過程中，時(shí)間往往非常緊迫，F(xiàn)IB技術(shù)的快速響應(yīng)能力使其能夠及時(shí)為問題的解決提供支持，滿足芯片調(diào)試的高效需求。

4、局部化處理

能夠針對特定區(qū)域?qū)嵤┚_作業(yè)，而對周圍環(huán)境保持無影響。

5、材料改性

通過改變材料表面特性，實(shí)現(xiàn)材料性能的顯著提升與改良。

6、TEM 樣品制備

是制備硬質(zhì)或脆性材料 TEM 樣品的理想選擇。

7、雙束系統(tǒng)

與 SEM 結(jié)合的雙束系統(tǒng)，不僅提升了工作效率，還實(shí)現(xiàn)了即時(shí)檢查結(jié)果的便利性。

8、非接觸式

與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法不同，F(xiàn)IB 是一種非接觸式加工技術(shù)。它不會(huì)對芯片造成機(jī)械損傷，從而更好地保護(hù)芯片的完整性和性能。這對于芯片這種高精度、高價(jià)值的電子產(chǎn)品來說尤為重要，因?yàn)槿魏螜C(jī)械損傷都可能導(dǎo)致芯片性能下降甚至報(bào)廢。

七、FIB技術(shù)的應(yīng)用

1、在可靠性中的應(yīng)用

（1）原位失效分析

FIB技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用是其最為重要的功能之一。通過掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行高分辨率表征和精確定位，F(xiàn)IB可以定點(diǎn)加工出光滑的截面，從而實(shí)現(xiàn)對失效點(diǎn)的原位觀察和分析。與傳統(tǒng)的失效分析技術(shù)相比，F(xiàn)IB技術(shù)能夠提供更為精確的失效部位信息，幫助工程師快速定位問題并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

（2）TEM樣品制備

在材料微分析領(lǐng)域，TEM樣品的制備是研究材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的重要手段。傳統(tǒng)的TEM樣品制備技術(shù)主要依賴于機(jī)械研磨拋光和離子減薄技術(shù)，但這種方法存在諸多局限性，如樣品表面易受污染、制備重復(fù)性低、難以加工脆性材料以及制備時(shí)間長等。

此外，F(xiàn)IB技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的快速制備，大大縮短了制備時(shí)間。研究表明，采用FIB技術(shù)制備的TEM樣品，其厚度可以達(dá)到幾十納米，且非晶化損傷可以控制在極低水平，從而為高精度的材料分析提供了保障。

（3）納米器件加工

FIB技術(shù)不僅在分析領(lǐng)域表現(xiàn)出色，還在納米器件加工中展現(xiàn)出了巨大的潛力。作為一種新型的微加工技術(shù)，F(xiàn)IB能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的納米結(jié)構(gòu)加工，為新型納米器件的研發(fā)提供了有力支持。

2、在微電子工業(yè)的應(yīng)用

（1）故障分析與修復(fù)

在半導(dǎo)體行業(yè)中，F(xiàn)IB技術(shù)被廣泛用于故障定位與分析。當(dāng)集成電路（IC）出現(xiàn)故障時(shí)，F(xiàn)IB可以通過高精度的離子束對芯片進(jìn)行局部切割和移除，從而暴露出故障區(qū)域，以便進(jìn)一步分析故障原因。例如，在PCB和IC載板行業(yè)，F(xiàn)IB技術(shù)常用于盲孔底部分析和異物分析，確保電路板和集成電路的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，F(xiàn)IB技術(shù)還能夠用于電路修復(fù)。通過濺射或沉積功能，F(xiàn)IB可以在納米尺度上對電路進(jìn)行修改和優(yōu)化。例如，在電路設(shè)計(jì)過程中，如果需要對成品進(jìn)行修改，F(xiàn)IB可以通過沉積金屬或絕緣材料來修復(fù)損壞的電路，或者創(chuàng)建新的連接。這種靈活性顯著降低了研發(fā)成本，加快了研發(fā)速度。

（2）掩膜版修復(fù)

在光刻過程中，掩膜版的精度直接影響到芯片制造的質(zhì)量。然而，掩膜版在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)缺陷或損壞。FIB技術(shù)可以對掩膜版進(jìn)行精確修復(fù)，通過離子束的蝕刻和沉積功能，去除缺陷部分并填補(bǔ)缺失部分。這種方法不僅減少了重新制作掩膜的成本和時(shí)間，還提高了掩膜版的使用壽命。

3、在芯片調(diào)試中的應(yīng)用

（1）電路修改與修復(fù)

在芯片設(shè)計(jì)和制造過程中，由于種種原因可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或制造缺陷。FIB 技術(shù)能夠?qū)π酒娐愤M(jìn)行精細(xì)的修改和修復(fù)。通過切斷錯(cuò)誤的金屬連接線，并重新建立正確的連接，F(xiàn)IB 可以快速糾正信號(hào)線連接錯(cuò)誤等問題。

對于早期的樣品或工程樣機(jī)，F(xiàn)IB 技術(shù)無需重新制造芯片，即可進(jìn)行快速的電路修改和驗(yàn)證，大大縮短了芯片的調(diào)試周期，提高了研發(fā)效率。

（2）故障分析與定位

發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)IB 技術(shù)能夠通過逐層切割和高分辨率觀察，快速定位故障點(diǎn)。無論是短路、開路還是其他電氣故障，F(xiàn)IB 都可以通過精確的切割和分析，幫助工程師找到問題的根源。例如，對于懷疑出現(xiàn)故障的晶體管，F(xiàn)IB 可以切割其周圍區(qū)域，結(jié)合電子顯微鏡進(jìn)行觀察，從而確定故障的具體原因。這種能力對于快速解決芯片故障、優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

八、FIB技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)IB技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步。未來，F(xiàn)IB技術(shù)有望更加自動(dòng)化和智能化，降低操作難度和成本，從而進(jìn)一步擴(kuò)大其在芯片調(diào)試領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。所以在其未來發(fā)展趨勢上可以有以下幾個(gè)方面：

1、技術(shù)創(chuàng)新與突破

未來五年，F(xiàn)IB系統(tǒng)行業(yè)將呈現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新不斷突破的趨勢，新型聚焦離子束設(shè)備的研發(fā)將成為行業(yè)重點(diǎn)。隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)IB系統(tǒng)的分辨率和精度將進(jìn)一步提升，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的更精準(zhǔn)操控。

2、跨學(xué)科融合

FIB技術(shù)涉及物理學(xué)、材料科學(xué)、電子工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)IB技術(shù)在基因編輯、細(xì)胞切割等方面的應(yīng)用正逐漸成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)，F(xiàn)IB系統(tǒng)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的結(jié)合，將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平，推動(dòng)行業(yè)向更高層次發(fā)展。

3、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展

隨著新材料如二維材料、納米材料等的不斷涌現(xiàn)，F(xiàn)IB技術(shù)對這些新材料的精確加工需求也在增長。此外，半導(dǎo)體行業(yè)對FIB系統(tǒng)的需求不斷增長，特別是在5G、人工智能等新興領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益旺盛。

4、市場競爭與整合

國內(nèi)外市場競爭日益激烈，行業(yè)整合加速。制造商使用FIB系統(tǒng)來測試和分析不同組件或設(shè)備的性能，推動(dòng)了電子和半導(dǎo)體行業(yè)對FIB工藝的需求增加。

5、政策支持與市場前景

在國家政策支持下，我國FIB系統(tǒng)行業(yè)取得了顯著成果。例如，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院自主研發(fā)的聚焦離子束設(shè)備成功應(yīng)用于我國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”的微納加工，標(biāo)志著我國在高端FIB技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，F(xiàn)IB系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展前景廣闊。

6、市場運(yùn)營態(tài)勢

2025年，中國FIB系統(tǒng)市場運(yùn)營態(tài)勢呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。一方面，隨著5G、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對FIB系統(tǒng)的需求不斷上升，推動(dòng)了市場規(guī)模的擴(kuò)大。另一方面，市場競爭日益激烈，國內(nèi)外企業(yè)紛紛加大研發(fā)投入，推出具有更高性能、更低成本的產(chǎn)品，以搶占市場份額。

最后想說的話

FIB技術(shù)在未來將繼續(xù)朝著更高精度、更高效率、更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和更激烈的市場競爭方向發(fā)展。技術(shù)創(chuàng)新、跨學(xué)科融合、政策支持以及市場需求的增長將共同推動(dòng)這一技術(shù)的不斷進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。

同時(shí)，最主要的是：FIB 技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合也將為半導(dǎo)體芯片調(diào)試提供更強(qiáng)大的工具。例如，與電子束光刻技術(shù)、納米材料合成技術(shù)等的結(jié)合，將為半導(dǎo)體芯片制造和調(diào)試帶來更多的可能性，可以推動(dòng)半導(dǎo)體芯片技術(shù)向更高性能、更小尺寸的方向發(fā)展。

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審核編輯 黃宇