【04缺陷检测与失效分析】之FIB关键应用：电路修复与样品制备技术
更新时间：2026-02-02
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副标题：聚焦离子束技术的双重角色：从纳尺度精确修复到高质量分析样品制备
发布日期： 2023年11月7日
作者： 森德仪器/应用技术部
仪器类别： 分析仪器/显微加工设备
阅读时间： 约12分钟
关键词： 聚焦离子束、电路修复、样品制备、TEM制样、FIB-SEM、微纳加工、失效分析、森德仪器
摘要
聚焦离子束技术作为现代微纳加工与分析的革命性工具，在缺陷检测与失效分析领域扮演着两大关键角色：一是高精度的纳尺度电路修复，二是用于分析的高质量样品制备。本文深入探讨了FIB在这两个核心应用中的技术原理、关键设备配置及操作流程。通过聚焦的离子束对材料进行精确剥离与选择性沉积，FIB能够修复集成电路中的开路、短路等缺陷，或制备出适用于透射电镜等分析手段的超薄切片。文章强调，一个集成了高分辨率扫描电镜（如蔡司GeminiSEM系列）的FIB-SEM双束系统是实现精准操作与实时监控的基础。我们将结合具体案例，解析如何利用FIB技术实现从发现问题（缺陷定位）到解决问题（电路修复）或深入分析（样品制备）的闭环，为半导体制造、材料研发及失效分析实验室提供高效、可靠的技术解决方案。
应用场景与案例分析
主要应用领域
集成电路（IC）与封装的电路修复
超高精度定位与导航： 需在微米乃至纳米尺度上，准确找到需要修复的特定电路单元。
选择性材料去除与沉积： 需能精确“切割"（铣削）掉短路的部分，或在开路处“焊接"（沉积）上新的导电材料（如铂、钨）。
实时、高分辨率监控： 修复过程需要高分辨率成像进行实时监控，以确保操作的准确性并避免损伤周边结构。
电学性能验证： 修复后需能原位或简易地进行电学连通性测试。
应用场景： 在芯片设计验证、试生产或产品失效分析中，常遇到金属互连线开路、相邻线间短路、通孔失效或特定节点需要重新连接（布线修改）等问题。物理性的修复是验证设计、挽救珍贵样品或进行根本原因分析的最后手段。
技术要求：
森德仪器适配性： 一套完整的电路修复方案依赖于FIB-SEM双束系统。其中，FIB离子柱负责纳米级的铣削与沉积，而与其联用的高分辨率场发射扫描电镜（如蔡司GeminiSEM 360）则提供了实时导航与监控能力。GeminiSEM的亚纳米分辨率和优异的低电压成像性能，可以在不损伤敏感电路的前提下，清晰呈现修复区域的形貌。其样品仓灵活性和智能导航软件（如ZEN Connect） 便于导入设计图纸并进行坐标关联，实现精准定位。此外，系统通常需集成多通道气体注入系统用于不同材料的沉积，并可选配纳米探针台进行原位电学测试。
透射电子显微镜样品制备
定点、定位能力： 能够从块体样品中，精准提取包含目标特征（如失效点）的微小区域。
超薄切片与终减薄： 将提取的样品加工至电子束可穿透的厚度，且要求切片内损伤小、表面平整。
无污染转移： 将制备好的超薄样品片（常称为“薄片"或“lamella"）安全、无污染地转移到TEM样品杆上。
应用场景： TEM能够提供原子级分辨率的晶体结构、缺陷和界面信息，是失效分析的工具。然而，TEM要求样品极薄（通常<100纳米），传统的机械研磨方法难以对特定微小区域（如单个晶体管、特定的界面、缺陷点）进行定位制样。
技术要求：
森德仪器适配性： FIB是当今制备高质量、定位精确TEM样品的标准方法。流程通常包括：使用FIB在目标区域两侧铣削出沟槽，然后用微机械手（如OmniProbe） 将初步切割的薄片提取、转移至专用TEM样品台上，最后用低束流的FIB对薄片进行终减薄和清洁。在此过程中，双束系统中的高分辨率SEM用于精确导航至目标区域、监控提取过程，并评估最终薄片的质量。GeminiSEM的高成像质量对于判断减薄终点至关重要。
扫描电镜与三维表征的样品制备
自动化的序列切片： 能够程序化地执行“铣削一层->成像一层"的循环。
高对比度、高分辨率成像： 每层图像的质量直接影响三维重构的精度。
大体积数据处理能力： 处理海量的切片图像数据。
应用场景： 当需要观察材料内部结构或进行三维重构时，传统SEM只能观察表面。FIB可以通过序列切片技术，逐层铣削并成像，然后将一系列二维图像重构成三维模型。
技术要求：
森德仪器适配性： FIB-SEM双束系统是三维切片与重构的理想平台。离子束负责精确可控的层状铣削，电子束负责对每个新暴露的截面进行高分辨率成像。蔡司GeminiSEM 360凭借其Gemini电子光学系统，即使在FIB加工后可能存在的轻微电荷积累情况下，仍能通过NanoVP模式获得高质量、无荷电干扰的截面图像，确保三维数据的可靠性。其强大的ZEN core软件生态系统（如Atlas 3D模块）能够自动化整个切片-成像流程，并高效处理三维重建。
核心技术要点：FIB-SEM双束系统在修复与制样中的协同优势
优势一：实时的“眼"与“手"协同
原理： SEM作为高分辨率的“眼睛"，提供实时图像；FIB作为精密的“手术刀"或“焊笔"，执行加工操作。
效果： 实现了“所见即所得"的纳米级操作，极大提升了修复和制样的成功率和精度。
优势二：多功能气体化学辅助加工
原理： 通过向样品表面喷射特定气体前驱体，在离子束或电子束的激发下发生化学反应，实现选择性材料沉积（如导电金属Pt、绝缘材料SiO₂）或增强刻蚀（如对特定材料更快去除）。
效果： 扩展了FIB的应用范围，使电路修复（沉积导电材料）和复杂样品制备（沉积保护层）成为可能。
优势三：从二维到三维的分析能力拓展
原理： 结合FIB的切片能力和SEM的成像能力，实现对样品内部结构的逐层揭示和三维重建。
效果： 将失效分析从表面观察推向全三维立体分析，能够更完整地理解缺陷的形态、分布及其与周围结构的空间关系。
附录与参考资料
相关标准
GB/T 38783-2020 《微纳米尺度几何特征测量 共聚焦激光扫描显微镜法》（作为相关显微测量方法参考）
ASTM E2809-22 《使用双束（FIB-SEM）系统进行三维显微结构表征的标准指南》
ISO 16700:2016 《微束分析 扫描电镜 生物样品制备指南》（部分制样原则相通）
SEMI MF1811 《通过扫描电子显微镜测量硅片上晶体缺陷的测试方法》（作为缺陷检测的基础）
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