微电子制造中的FIB-SEM双束系统：技术应用与进展

在微电子行业重要性

在微电子行业中，FIB-SEM双束系统的应用至关重要，它不仅涵盖了芯片样品的精密切割，还包括对工艺缺陷的深入分析和器件结构的细致表征。这一系统以其卓越的性能，极大地促进了科研人员和工程师对微电子器件内部结构与性能的深入理解，为新型器件的设计和制造提供了关键的技术支持。

系统功能与技术结合

FIB-SEM双束系统结合了聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）的功能，使得在微加工过程中，SEM能够实时监控FIB的操作，实现了高分辨率电子束成像与精细离子束加工的完美结合。FIB技术通过加速并聚焦液态金属离子源产生的离子束于样品表面，生成二次电子信号以形成电子图像，或者利用高电流离子束在样品表面进行蚀刻和微纳结构加工。这一过程通常结合物理溅射和化学气体反应，以选择性地蚀刻或沉积金属和绝缘层。

典型FIB-SEM双束设备内部示意图

微电子领域的应用实例

FIB技术能够精确地揭示器件特定微小区域的截面，生成高分辨率的清晰图像，不受加工材料的限制，并且能够在蚀刻的同时，利用SEM进行实时观察。这种截面分析是FIB技术最普遍的应用之一，其刻蚀断面的定位精度极高，且在整个制样过程中，样品受到的应力较小，保证了断面的完整性。

FIB-SEM双束系统制作并观测的芯片断面图

透射电子显微镜样品制备


透射电子显微镜（TEM）因其极高的分辨率，对样品制备有着严格的要求，通常需要样品厚度小于100nm才能被电子束穿透以进行观测。FIB的精密加工特性使其成为制备TEM样品的理想工具。制备过程包括在电子束下定位样品，镀上Pt保护层，挖开样品前后部分形成薄片，用Easylift针提取并放置在铜网上，最后通过离子束减薄至100nm以下。

FIB-SEM双束系统制备TEM样品的过程
芯片制造中的线路修补

在芯片制造中，当流片得到的样品未能达到预期功能时，FIB的高精度蚀刻和沉积功能可以用来修改线路连接，大大缩短反馈周期并节省成本。GIS辅助功能在线路修补中尤为重要，合适的辅助气体可以提高修补效率和成功率。
线路修补的难点与解决方案

任何定位或刻蚀的偏差都可能增加失败的风险。使用CAD工具可以帮助解决定位问题，减少对非操作点金属线的损害。在线路修补的最后阶段，需要使用IEE气体清洗操作框外的Pt，以避免不必要的金属互联导致短路。在进行小间距高要求的线路修改时，W材料因其较小的扩散范围和易清洗性，常被选作金属层沉积材料。

FIB-SEM双束系统线路修补图

线路修补的挑战与成功率

一个完整的线路修补工程可能涉及大量的连接和切割，工程量巨大，而线路间刻蚀的容错率仅为数百纳米，任何单根金属线的刻蚀问题都可能导致整个项目的失败。因此，线路修补的成功率通常较低，只有30%-50%。这要求操作者对芯片操作点位置有深入了解，熟练掌握FIB操作方法，并具备敏锐的观察力和足够的耐心，以提高成功率。
FIB-SEM双束系统的未来展望

FIB-SEM双束系统的应用不仅限于上述领域，它还在材料科学、生命科学和纳米技术等领域展现出巨大的潜力。