金鉴李工：聚焦离子束( FIB)技术在芯片设计及加工过程中的应用

聚焦离子束( FIB) 技术的快速发展和实用化要归功于液态金属离子源的开发。该系统的离子束斑直径为100 nm, 束流密度1.5 A/cm2, 束亮度达到3.3×106 A/cm2·sr。

至1980年代及1990年代FIB技术在机理研究，装备研制及应用技术研究等方面均有很大进展，并有不同的应用前景、各种结构商品型FIB系统已大批量投放市场并装备在各种研究实验室中，部分还进入了半导体集成电路制造厂。聚焦离子束技术被广泛地应用于微电子行业中，极大地提高了微电子工业中材料，工艺，器件分析与修补的准确性与速度，现已成为电子技术领域中不可缺少的核心技术之一。

1、FIB系统的工作原理

FIB技术是一种利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺寸的微切割技术，目前商业化FIB系统的粒子束是从液态金属离子源引出的。

2、FIB技术的在芯片设计及加工过程中的应用

1.IC芯片电路修改

利用FIB物理修改芯片电路可以让芯片设计者有针对性地在芯片问题处进行检测，从而更快、更精确地验证设计方案。如果芯片部分区域出现了问题，可以利用FIB对该区域进行隔离或者对该区域进行功能纠正，从而发现问题症结所在。在最终产品量产前,FIB也可以提供一些样片以及工程片，使用它们可以加快终端产品推出时间。采用FIB对芯片进行改造，可减少未成功设计方案的改造数量，降低研发时间及周期。

2.Cross-Section 截面分析

用FIB在IC芯片特定位置作截面断层,以便观测材料的截面结构与材质,定点分析芯片结构缺陷。

3.Probing Pad

在复杂IC线路中任意位置引出测试点, 以便进一步使用探针台(Probe- station) 或 E-beam 直接观测IC内部信号。

3、聚焦离子束技术在微纳加工技术上的主要应用

FIB是现今微纳加工及半导体集成电路制造业中非常活跃的一个研究方向。因其结合了材料刻蚀，沉积，注入和改性等工艺，可望在高真空环境中作为整个器件制造过程中的主要处理方法。

目前, FIB 技术主要应用在:

 光掩模的修补;

 集成电路的缺陷检测分析和修整;

TEM 和STEM的薄片试样制备;

 硬盘驱动器薄膜头( TFH) 的制造。

同时, FIB 其他一些重要应用还在开发中,它们是:

 扫描离子束显微镜(SIM);

FIB 直接注入;

FIB 曝光, 包括扫描曝光和投影曝光;

多束技术和全真空联机技术

FIB 微结构制造( 刻蚀、沉积) ;

FIB/SIMS( 二次离子质谱仪) 技术。

4、基于聚焦离子束技术的微刀具制备方法

将FIB技术应用拓展至微型刀具加工，并基于自行设计形成聚焦离子束系统和高精度旋转器组合实验台，通过聚焦离子束铣削功能，实现了复杂三维结构刀具毛坯微刀具加工，并加工了不同材质刀具。通过设置合适的聚焦离子束的加工参数和准确控制刀具毛坯和离子束入射方向的位置，并输入不同灰度图像对FIB铣削进行准确控制，可以加工出各种几何形状复杂的微刀具。本发明提出的方法与其他传统刀具加工方法相比，具有加工精度高，重复性好，应力应变小，可在线观察，适用于多种材料及几何形状加工等优点。

可以想象，FIB 像一把尖端只有数十nm 的手术刀。离子束在靶表面产生的二次电子成像具有数nm 的显微分辨能力，所以FIB 系统相当于一个可以在高倍显微镜下操作的微加工台它可以用来在任何一个部位溅射剥离或沉积材料。用FIB在一个微球上挖了一个环形坑。这种微细加工操作是任何其他一种微加工手段所无法做到的。

FIB的这一微切割能力已经被应用于量产中，在现代计算机中读写微磁头都是由FIB来处理。用常规光学曝光方法生产的读写磁头尺寸较大，因此经过常规微加工工序后，又用FIB对其局部进行改形处理，用FIB进行切割可使磁头局部减小至仅100nm左右，极大地提高磁头分辨率和硬盘读写密度。利用FIB进行一次磁头改形，只需，定位与加工全部实现自动化。

聚离子束技术及其组合系统表现出极大的应用潜力，其精确定位，显微观测以及细微加工等功能使得该技术在微电子领域发挥着重要作用。认为在中国微电子工业蓬勃发展的今天，聚焦离子束设备及其应用技术一定会再上新台阶。