材料分析

FIB的應用

   聚焦離子束顯微鏡 (Focused Ion Beam, FIB)

聚焦離子束顯微鏡是運用鎵 (Ga) 金屬來做為離子源,因為鎵的熔點為 29.76°C,且在此時的蒸氣壓為 «10-13 Torr,所以很適合在真空下操作。在使用時,液態的鎵會沿著燈絲流至針尖,當外加電場強到可以將針尖的液態鎵,拉成曲率半徑小於一臨界半徑的圓錐體 (Taylor cone) 時,鎵就被游離而噴出,形成鎵離子束,此離子源小於 10 nm,能量分散約為 4.5 eV,亮度約為 106 A/cm2.sr。所以可以用來做為很精確的奈米結構加工的工具,所以也可稱之為奈米雕刻刀。

聚焦離子束顯微鏡的系統,是由液態離子源、聚焦與掃描透鏡、樣品移動平台、反應氣體噴嘴及信號偵測器所組成。透過此系統,我們可以做選區的濺射來去除物質、金屬的沉積與蝕刻、及絕緣層的沉積與蝕刻,所以也是微機電 (MEMS) 加工很好的工具平台。

除了單槍離子束之外,聚焦離子束顯微鏡上另外還可裝設電子束系統,而形成所謂的雙束聚焦離子顯微鏡 (Dual Beam FIB),也就是同時具備了掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) 及聚焦離子束顯微鏡於一身,可以用電子束來尋找目標區及觀察影像,而離子束做精密切割目標區,不會破壞其他樣品結構,因此可以做奈米級精確的位置定位與切割,及奈米級的TEM試樣薄片製作。

 

 

FIB設備的具體應用可大致分類為:

  1. 積體電路的線路編修
  2. 定點剖面與SEM觀察
  3. 離子穿隧影像對比 (Ion Channeling Contrast)
  4. 穿透式電子顯微鏡 (TEM) 試片製備。

圖-1聚焦離子束顯微鏡,(a) 液態金屬離子源; (b) 單束系統,具備多種反應氣體例如:Br2、XeF2、TEOS,專攻電路編修之用; (c) 雙束系統,匯集電子束及離子束於一機,專攻精準定位剖面切割及TEM樣品製備
實際應用1 線路修補 (Circuit Editing)

在積體電路產品開發時,當首批晶片出廠時,若電路上有設計錯誤或功能不正常時,就需要透過線路修改來驗證電路設計。在早期,需要修改光罩與重新投片來進行電路修改與驗證,這是費時又耗財的。當積體電路製程持續微小化後,這個作法所需的經費,更是急遽的增加。所以當FIB能夠執行金屬及絕緣層的沉積與蝕刻後,儼然成為微小化的晶圓廠的後段製程生產線。所以可以在極低費用下,快速地提供電路的編修,或光罩修補,加快產品的驗證。所以,最多只要改版一次光罩,就可以完成產品的開發。

針對積體電路產品封裝以及要編修的位置的不同,電路編修,又可以分為正面編修 (Front-side Editing) 與背面編修 (Back-side Editing) 兩大類。

一、正面編修
是由積體電路的最上層開始施工至下層金屬層的編修位置,也就是需挖過保護層及上層的金屬導線層到欲編修位置,圖2為正面電路編修的步驟範例。
二、背面編修
是由矽晶片底部開始施工至編修位置,也就是需挖穿矽基板及/或下層的金屬導線層到欲編修位置,圖3為背面電路編修的範例。

一般而言,編修的難度依電路結構差異而有不同,施工編修位置的可用開挖空間越大,則施工的難度越低;上層金屬導線的編修比底層的金屬導線容易;鋁金屬導線則比銅導線容易施工;正面編修則較背面編修容易。常用的編修工程包括絕緣層深井的開挖、金屬線的切斷或切穿、絕緣層深井的金屬填充,金屬連線、點針的金屬墊、電容製作及電阻製作。
絕緣層沉積是由離子束來促成反應氣體裂解,進而生成SiO2,常用的氣體為TEOS或TMCTS。金屬沉積的反應氣體則有沉積白金(Pt)的 (CH3)Pt(CpCH3),沉積鎢 (W)的W(CO)6 。FIB沉積的 W 比 Pt有較低的阻值,填洞的能力也好,但是沉積速率比較慢,需花費較長時間施工。碳膜的沉積氣體則是用C10H8

鋁金屬的蝕刻,則可用碘 (I2)、溴 (Br2) 或氯 (Cl2) 來達成。而銅的蝕刻,則用鎵及水氣來濺蝕銅金屬。絕緣層的蝕刻,則是用XeF2來達成化學蝕刻反應。

圖-2正面電路編修的步驟範例,由 (a) 開封蓋 (decapsulation);(b) 開孔與填完金屬;(c-e) 線路連接至線路切斷
圖-2 正面電路編修的步驟範例,由 (a) 開封蓋 (decapsulation);(b) 開孔與填完金屬;(c-e) 線路連接至線路切斷 ; (a)IC開蓋 ; (b) 開孔與填充金屬 ; (c) 連線與切斷 (計劃) ;(d) Pt連線;(e) M2切斷 (完工後結果)
圖-3 背面電路編修的俯視與側視圖,(a) 背面編修形成點針墊 (probe pad) 來測電路信號;(b) 背面編修樣品橫截面的示意圖
背面電路編修

針對前瞻製程的積體電路,由於線寬即線距的微小化,造成FIB電路編修的困難,因應此一難題,有下列幾個方向來克服:
一、系統性能的提昇,這包括:樣品台移動的精確度與穩定度、離子束的大小與穩定度、信號偵測器的性能與擺放位置及氣體噴嘴的樣式與位置控制等。
二、蝕刻與沉積反應氣體的開發,以提供高深寬比的深井開挖,及均勻沉積的高阻值絕緣層與低阻值金屬層。
三、如何降低電荷的累積,以避免造成積體電路的損壞。

實際應用2 橫截面結構觀察

FIB可以很精確地在需要做剖面切割的位置進行開挖,故障分析或是製程監控經常運用雙束FIB進行特定點觀察,先以電子束影像 (即SEM影像) 來搜尋欲切割的位置,定位後再以FIB進行切割,剖面完成後,再以電子束來取得斷面的影像,如圖 4(a) 所示。圖 4(b) 為一銅導線製程之積體電路的橫截面結構。

圖-4 (a) 以FIB製作橫截面試樣的程序示意圖;(b) 9層金屬製程的IC以FIB定點橫截面切割後之橫截面SEM影像。
實際應用3 離子通道式影像對比 (Ion Channeling Contrast)

在觀測固態晶體樣品時,由於原子的規則排列,在特定的晶體方向與晶面間,形成許多類似長通道的規則晶格間隙,當離子束對準這些方向時,離子可以長驅直入,不會和樣品中的表層原子產生碰撞,因而沒有二次電子或背向散射的入射離子產生,所以信號偵測器收到的信號較弱。但是若是離子束沒有對準這些方向,在表層即會和樣品原子產生碰撞,因而有較多的二次電子或背向散射的入射離子產生,所以信號偵測器收到的信號較強。因此所獲得的影像會有顯著生明暗對比,這就是所謂的離子通道對比效應,如圖5所示。

圖-5 離子對準與未對準晶體通道方向的示意圖。(圖中"穿隧的Ga+"改為"通道的Ga+")
晶體通道方向

離子通道影像對比效應可以清楚顯示不同晶體的疊層結構,因此可用於晶粒大小與方向的分析。在圖6(a)中光學顯微鏡OM影像顯現不同材料因反射率和折射率不同而形成的對比,或是試樣因截面研磨而造成的材質軟硬高低差,來分辨不同材料成份,但是圖6(b)的FIB離子通道影像可以進一步顯現錫球內Pb-Sn的晶粒結構,這些晶粒大小的分佈可以透露錫球接合過程的熱處理溫度梯度,代表在PCB板和IC之間的溫差。

圖-6 (a) 錫球橫截面的光學影像;(b) 錫球的FIB離子通道影像
實際應用4 TEM試片製備 (Pre-Thin, Lift-out, Omni-probe)

在FIB橫截面的TEM樣品製備上,有三種作法:預先薄化法 (Pre-Thin)、靜電吸取法 (Lift-out)、探針取出法 (Omni-probe)。至於FIB的選擇,則取決於樣品的分析需求。 圖7顯示預先薄化法的試片製備,先以研磨方式將試片減薄到5-10 m後,再用FIB減薄到可供TEM觀察的0.1 m厚度。這個方法的優點是可得到非常大面積 (~50 m),且厚度均勻的TEM試片,由於薄區四周仍由相同材質的材料固定住,因此薄區試片不會有變形或捲曲之慮,但是這個方法必須經研磨,再經FIB切割,因此比較費工、耗時,仍有研磨失敗的風險。

圖-7 預先薄化法 (Pre-Thin)

圖8顯示吸取法的試片製備,先以FIB將取樣區減薄後,再以U形切割將薄片與樣品分離,最後以玻璃探針,以靜電吸附方式將其取出後,置於具碳膜的銅網上。這是目前最快速省時的TEM試片製備法,每個試片的製作工時在1小時以下,因此大量TEM試片的製作都是採用這個方法,但是這類試片一旦被擱置在碳膜上,即無法再作任何加工或重工,因此無法保証試片的最佳品質,最終試片厚度的判斷,仍須仰賴FIB工程師的工作經驗。

圖-8 靜電吸取法 (Lift-out)
靜電吸取法

圖9顯示探針取出法,將試片以FIB粗切至1-2 mm左右脫離樣品後,以FIB沉積Pt將探針與試片焊在一起,再移動探針將試片移至試片座,以FIB沉積Pt將試片焊在試片座上後,以FIB將探針切離試片,最後再以FIB將試片細修至可供TEM觀察的薄度。這是最複雜、最耗時的TEM試片製備法,全部工時大約1.5-2小時之間,但是這個方法可以在TEM觀察後若有任何需要局部修整的試片厚度,可以一再的重覆進出FIB再施工,因此可以保證TEM試片製備的零失誤與零風險,通常對於非常重要的試片分析皆採用此法。

圖-9 探針取出法 (Omni-probe),(a) - (f) 是TEM試片製作過程的各步驟紀錄,(a)、(b) 黏貼探針到切好的試片上;(c) 吸出試片;(d) 黏貼試片到試片座上;(e) 切斷試片上的探針;(f) 將試片座和試片置入TEM觀察
探針取出法
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