随着半导体工艺不断进步，芯片越做越小，内部结构也越来越复杂。3 纳米的逻辑芯片有十几层金属互连，3D NAND 堆叠超过百层，先进封装把铜柱、微凸点压到微米甚至亚微米。与此同时，失效点跟着越埋越深，常常只有几十纳米，藏在表面以下几微米。光学显微镜、扫描电镜（SEM）只能看到表面，机械研磨又很难精确停在某一层。要看清这些埋在内部的缺陷，就得先把它切开、看进去，这就需要用到聚焦离子束（FIB）。

一、什么是 FIB？

FIB 是聚焦离子束（Focused Ion Beam）的缩写，工作方式可以理解成用一束离子当"刀"，在样品上做纳米级的切割、加工和成像。

离子从哪来？绝大多数商用 FIB 用液态金属做离子源。Ga的熔点只有 29.76 ℃，室温附近就是液态，蒸气压低、抗氧化，适合在真空中长期稳定工作。液态Ga润湿钨针尖后，在强电场下被拉成尖锥，即泰勒锥；尖端原子发生场致电离，变成 Ga⁺ 离子。离子再经 5 至 30 kV 加速，由静电透镜聚焦，束斑可以小到几纳米，束流从皮安到数十纳安可调。

离子打在样品上，能量通过碰撞级联传给样品表层原子，原子获得的动能超过表面束缚能就脱离基体，这个过程叫溅射，也就是 FIB 的"切割"。溅射带走多少材料取决于溅射产额：束流越大切得越快，入射角越大产额越高。同一束离子还会激发出二次电子用来成像，也可以收集二次离子做局部的成分分析。

FIB 和 SEM 外形相似，但"子弹"完全不同。SEM 用电子，电子很轻，照在样品上基本无损，收集二次电子和特征 X 射线，分别给出形貌和成分。FIB 用离子，离子比电子重得多，一撞上去就带走材料，所以 FIB 一般是"减法"加工。把两者装进同一个腔体，就是 FIB-SEM 双束系统：电子束垂直向下负责成像，离子束斜置约 52° 至 55° 负责加工。

二、FIB 能做什么？

· 精准定位：束斑只有几纳米，先在 SEM 图像上锁定目标结构，再让离子束对准这个坐标加工，误差控制在微米以内。

· 截面切割：在指定位置垂直或倾斜切出一个断面，尺度从几十纳米到几微米，露出材料内部，配合 SEM 实时成像，观察多层膜、镀层、界面和内部缺陷。

· 微观加工：既能做"减法"（切割、刻蚀），也能做"加法"（通过气体注入系统通入含 Pt、W、C 的前驱体，离子束把气体分子分解，在局部沉积出保护层或导电连线）。

· TEM 制样：做出透射电镜需要的纳米级薄片，是 FIB 步骤最多的一类用途。

· 三维重构：切一层、拍一张，切片间距小到几十纳米，连续几百次，把二维截面序列拼成三维体数据，观察材料内部的三维结构。

三、FIB 在半导体材料分析中的应用

1. 半导体薄膜及界面分析

半导体器件是一层层叠起来的：金属层、介质层、钝化层交替排列。FIB 在指定位置切开截面，能直接看每层厚度是否均匀、界面是否连续，有没有贯穿层间的空洞、分层和裂纹。这些缺陷埋在内部，不切开看不到。以铜互连和低 k 介质为例，两者之间的界面有没有分层、有没有铜扩散，都要切开截面才能判断；先进封装里的铜柱、微凸点、混合键合界面，也是 FIB 截面的常客。切之前通常先镀一层 Pt 或 C 保护层，防止离子束直接轰击表层。但如果后续要做能谱（EDS），保护层的元素不能和待测元素重叠：要测 Pt 含量，就不能镀 Pt。切好的截面还可以交给 EDS、电子背散射衍射（EBSD），进一步分析界面的成分和晶体结构。

Micro LED表面、倾斜面及FIB截面结构（DOI: 10.1038/s41566-026-01990-4）

芯片封装中的凸点EBSD（DOI:10.1038/s41598-026-38879-9）

2. 芯片失效分析

芯片出现漏电、短路、开路，先要定位到具体位置。合理的顺序是：先用电性测试分类失效模式，再用光学显微镜、X-ray、超声扫描这些无损手段缩小范围，最后用 FIB 对可疑区域定点切割，露出内部结构，帮助判断失效原因。电性测试能说明失效类型，却看不到失效点长什么样；切开之后，才能看清是金属迁移、介质击穿还是空洞。曾有分析在一颗手机应用处理器上做 200 层连续切片，找到了第三金属层与硅衬底之间 5 纳米尺度的介质层击穿通道。FIB 在这里是验证工具，不是发现工具：切之前得想清楚要验证什么。这一刀不可逆，窗口偏几微米，断面就落在完好区域，真正的失效点反而可能被一起带走。除了切割，FIB 还能通过气体注入系统沉积 Pt、W，在研发阶段切断异常连线、补接新线路，省去一次重新流片。

通过与CAD对比确认芯片结构缺陷（ DOI:10.1007/s11668-026-02564-w）

3. TEM 样品制备

要看晶格、晶体结构和纳米级的元素分布，得用透射电镜（TEM），而 TEM 样品必须薄到几十纳米：太厚电子穿不过，太薄又容易变形，60 nm 上下是常规折中。FIB 从芯片指定位置提取薄片的流程分多步：定位、沉积 Pt 保护层、两侧粗切、挖槽、U 形切割、纳米机械手提取、焊到载网、双面减薄、低电压抛光。保护层厚度一般 1 至 2 μm；减薄按 30 kV、5 kV、2 kV 逐级降压，最终厚度常规控制在 60 nm 上下，球差校正电镜要求 30 nm 以内。3D NAND 的失效分析里，FIB 制备的薄片能清楚显示堆叠层间的位错缺陷。制好的薄片放进 TEM，可以看晶格像、晶体结构和纳米级元素分布。

FIB制备TEM薄片

四、FIB 技术有哪些优势和局限？

优势：定位精准、加工灵活、能直接看内部结构，还能与 SEM、TEM、EDS 、EBSD联用，一个断面既能看形貌，又能做成分和晶体学分析。

局限主要来自加工带来的损伤，有三类。第一，离子注入和损伤层：Ga⁺ 会注入表层，打乱晶格形成非晶层，通常有十几到二十纳米厚，可能掩盖晶格真实信息，也会让 EDS 成分发生偏移。第二，再沉积：被溅射下来的原子没有完全离开，会回落沉积在侧壁或底部，形成瘤状反沉积。第三，窗帘效应：不同材料溅射速率不同，刻蚀深浅不一，截面上留下竖向条纹，容易被误判成层间裂纹。

这些损伤能通过低束流薄切、逐级降压、摇摆铣削等手段减轻，但不能完全消除。摇摆铣削是让离子束在切割时小角度摆动，能明显减轻窗帘效应。不同材料也要用不同方案：金属溅射产额高、切得快，但反沉积严重；介质和 low-k 材料容易荷电、吸Ga，要用低电压、短驻留。读截面图时，关键是把制样产物和真实缺陷分开。要看大面积封装截面或做统计性三维表征，可以用等离子体 FIB（PFIB），蚀刻速率更高；怕热、怕束流损伤的样品，则可以考虑低温 FIB（Cryo-FIB）。

五、送样要求

做 FIB 分析，送样前有几点要注意：

· 尺寸：样品要能放进真空腔体，长宽高一般限定在20mm以内；

· 状态：样品要干燥、无油污、无挥发性物质，表面不能有怕真空或易放气的材料。样品不具备强磁性。

· 导电性：导电性良好，陶瓷、介质膜这类非导电样品，需要喷金处理

· 目标位置：做定点切割或失效分析，最好预先标出目标区域，并附上电性测试结果和失效模式说明，方便快速定位

· 成分：做EDS和EBSD前，告知样品大致成分，方便选择不干扰待测元素的保护层或镀层。

六、总结

从薄膜界面到失效定位，再到 TEM 制样和三维重构，半导体分析的主要环节 FIB 都覆盖。它把纳米级定位、断面观察、可重复的减薄流程和三维体数据放在同一台设备上：截面看某一层，TEM 薄片看晶格，连续切片看三维。半导体材料表征、内部缺陷观察和失效分析都要用到它。博仕检测提供从 Ga⁺ FIB 到等离子体 FIB（PFIB），覆盖薄膜与界面分析、芯片失效定点解剖、TEM 超薄样品制备。