探索聚焦离子束技术在提升元器件可靠性中的应用

引言
航天器的稳定性和寿命在很大程度上取决于其使用的元器件的可靠性。由于航天任务的特殊性，对元器件的可靠性要求极高，而且一旦发射，航天器很难进行维修或更换部件，因此在设计和测试阶段进行严格的可靠性测试是至关重要的。这些测试的目的是发现元器件选择、产品设计和系统集成过程中可能存在的缺陷，以确保任务的成功。

元器件可靠性质量保证技术
在元器件可靠性质量保证方面，常用的技术包括补充筛选测试、破坏性物理分析（DPA）、结构分析（CA）、失效分析（FA）和应用验证等。这些技术都是为了确保元器件在极端的太空环境中能够正常工作。特别是结构分析，它通过分析元器件的材料和制造工艺，对提高可靠性起着至关重要的作用。在进行结构分析时，观察芯片的截面是非常关键的，因为这有助于了解器件的生产工艺并评估其对可靠性的影响。

裸芯片截面加工技术
目前，裸芯片截面加工主要有两种方式：传统的研磨工艺和聚焦离子束（FIB）技术。对于某些特殊材料（如基于砷化镓的器件），由于其脆性，只能使用FIB技术来观察芯片截面。此外，一些需要截面观察的器件可能还需要透射电子显微镜（TEM）的帮助，而FIB技术在为TEM制样方面发挥着重要作用。金鉴实验室提供的Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜(TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等，进一步扩展了FIB技术的应用范围。

双束FIB技术的应用分析
双束FIB技术在集成电路中的应用分析及其对航天器可靠性工程的指导意义是本文的重点。双束FIB系统由扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）两部分组成，这种系统在商业上广泛使用，其离子源通常采用液态金属离子源（LMIS），最常见的材料是镓（Ga）。

单束FIB检测系

在加工过程中，液态镓在电场作用下形成尖端，通过负电场提取并形成镓离子束。通过电透镜聚焦，并经过变化孔径（AVA）调整离子束大小，最后聚焦到样品表面，通过物理碰撞实现切割，完成微米/纳米级材料的加工。加工过程中，还可以使用能谱分析（EDS）探头进行成分分析。与传统的单束FIB相比，双束FIB增加了SEM功能，可以及时观察加工后的样品，并进行原位失效分析。

双束FIB检测系统示意图

原位失效分析
在原位失效分析方面，双束FIB的应用包括解析样品缺陷和进行失效分析。与传统的单束FIB相比，双束系统可以利用SEM对缺陷部位进行高分辨率表征和精确定位，然后使用FIB进行定点加工，以获得光滑的截面。这种配置允许在SEM下原位分析缺陷部位。

目前，半导体行业中有多种失效分析定位技术，如EMMI、ORBICH、SDL等，它们可以测量不同领域的电流，并对模拟或数字电路的失效进行定位。在某些情况下，FIB切割技术也可以用于失效定位和原位测量。

TEM样品制备
在TEM样品制备方面，FIB技术相比传统的机械研磨抛光技术具有显著优势，包括样品表面不易受到污染、重复性高、能够制备纳米级厚度的材料、省时等。此外，FIB技术在加工界面样品方面也显示出其独特的优势。在采用FIB技术制备TEM样品时，需要合理选择加工工艺以最小化非晶化。以硅为例，研究了在不同电压下加工的样品的TEM形貌。

不同工作电压下Si表面图像

结论
FIB技术在航天器元器件可靠性领域的应用具有重要的实际意义和广阔的发展前景。它不仅能够实现失效样品的原位观察，通过截面加工获得相关信息，具有定位精确、节省时间且不引入新失效模式的优点；而且能够进行TEM制样，与传统技术相比具有明显优势，是材料微分析领域中不可或缺的技术；此外，FIB技术还能够进行纳米器件加工，是微加工领域的新型技术。随着技术的发展和应用的深入，FIB技术有望在未来的航天器设计和测试中发挥更大的作用。