FIB 란, FIB 기본원리, FIB에 대한 설명, FIB 사례 [종합]

FIB 란, FIB 기본원리, FIB에 대한 설명, FIB 사례 

FIB(Focused Ion Beam) 란

다양한 분야(반도체, 바이오, 로봇, 섬유, 디스플레이, IoT 등)에서 새로운 가치를 창출하는 기반 기술로 나노 기술이 각광을 받고 있는데요. 나노 기술의 발전과 함께 다양한 나노 소재(나노와이어, 나노입자, 나노튜브, 폴리머 체인, 나노박막, 나노 입계 등)가 개발되고 있습니다. 이러한 소재의 물성 측정 및 평가 필요성이 증가하고 있죠. 나노 소재 고유의 결정구조, 입자 크기 및 형상은 물성을 예측하는데 기본이 되는 중요한 특성이며, 이러한 물성 특성을 파악하기 위해 다양한 분석장비를 이용하고 있습니다. 특히 나노 크기의 이미징뿐만 아니라 집속 빔을 이용한 밀링 및 증착 기능을 보유하고 있어 나노 크기의 조작 및 가공이 가능한 집속이온빔 시스템 FIB(FocusedIonBeam)에 대해 알아보겠습니다. 

 

FIB 기본원리 

FIB 기본원리 (FIB의 기원) 

1. FIB장치 최초의 개발 : 1977년경 반도체의 마이크로 디바이스를 목표로 한 미국 Hughes연구소의 R.L.Seliger

당 초 마스크 없는 이온 주입을 할 목적으로 Duo-Plasmatron형 이온원 으로부터 이온 빔을 집속 하여 시료의 미소 영역에 선택적으로 조사하는 용도로 개발

2. 일본에서도 1981년부터 일본 전자㈜에서 마스크 없는 이온주입용 FIB장치 개발에 착수하고, 정부의 대형 프로젝트로 추진하였는데요. 특히 Ga+(융점 29.8℃) Source를 이용한 액체금속이 온 소스(LiquidMetalIonSource, LMIS)의 개발로 집속이온빔(FocusedIonBeam, FIB) 장치는 고도의 정밀도를 요구하는 반도체를 비롯하여 전자, 통신, 의료, 바이오 등 여러 분야의 수요로 인해 빠른 성장을 보여왔습니다.

반응형

FIB 기본원리 (FIB의 방식)

1.FIB 정의 : FIB장치는 주로 매우 가늘게 집속 한 이온빔을 시료 표면에 주사(Scanning) 하여 발생한 전자/이온을 검출하는 방식

2. FIB 용도 : 가늘게 집속 한 이온빔을 주사한 것을 현미경을 통해 관찰하거나 시료 표면을 가공하는 용도로 쓰입니다. 

3. FIB 원리 :

FIB 개념도

1. 액체 금속 이온 소스에서 발생한 이온을 어퍼처(Aperture)와 집속 렌즈(CondenserLens)로 집속 시켜 빔을 만듭니다.
2. 다음에 대물렌즈(ObjectiveLens)로 시료 표면에 초점을 맞추고 집속 된 이온빔을 시료에 입사시킵니다. 
3. 이렇게 입사된 빔에 의해 아래 그림과 같은 현상들이 일어나게 됨
4. 이중 어느 한 경우를 이용하여 FIB장비의 기본 3가지 운영모드를 만들 수 있음 

FIB 입사된 빔

FIB 장비 기본 3가지 운영모드 

• 1. FIB 이미징 (Imaging)
• 시료에 빔이 주사될 때 시료에서 튀어나오는 입자로서 이온과 전자가 있습니다.
• 이것을 이차 이온(SecondaryIon)그리고 이차 전자(SecondaryElectron)라 합니다.
• 이러한 2차 신호를 센서로 검출하고
• 2차 신호에 대응한 데이터를 빔 조사 위치 좌표에 대응한 화상 데이터를 메모리에 기억시킵니다.
• 이 데이터를 컴퓨터 화면에 표시하여 빔을 조사한 영역의 현미경 상을 관찰하는 것입니다. 

2. FIB 밀링 (Milling)

• FIB Source에 높은 가속 전압을 가해 이온을 발생시킴 
• 전계(ElectricField)를 이용하여 이를 조절
• 이온을 선택적 영역에 일정한 세기로 주사합니다. 
• 시료의 원하는 부분(넓이, 깊이)을 가공합니다. 

3. FIB 식각/증착 (Etching/Deposition)

반응형

[Etching] : 이온빔 조사로 스퍼터링 된 원자의 양을 증가시켜 시료 표면을 에칭 합니다. 

[Deposition] :

• 화합물 가스를 시료 표면의 이온빔 조사영역 근처에 불어넣어 국소적으로 증착을 할 수 있습니다.
• 1차 이온을 시료에 조사하면 2차 전자가 발생하고, 이 2차 전자가 화합물 가스의 분해에 기여
• 화합물 가스가 기체 성분과 고체 성분으로 분리됩니다.
• 기체 성분은 진공 배기되지만, 고체 성분은 시료 표면에 증착하게 됩니다.

FIB 식각/증착 (Etching/Deposition)

FIB 사례 

1. FIB를 이용한 회로 수정 

FIB의식각/증착(Etching/Deposition)을 이용하여 반도체의 Metal Line을 자르거나 연결하여 회로를 수정할 수 있습니다.

특히 새로운 설계 적용을 포토마스크와 웨이퍼 공정을 수행하지 않고도 디바이스의 오류를 수정할 수 도 있습니다.

FIB 를 이용한 회로 수정

2. FIB Cross Section

FIB의 밀링(Milling)을 이용하여 특정부위 및 특정한 위치의 Defect에 대한 단면을 가공하고, FIB or SEM으로 이미지를 관찰하여 불량분석에 유용하게 사용되며, 특히 EDX(에닥스) 장비를 이용하여 지정된 영역에 대한 성분 분석도 가능하게 합니다. 

FIB Cross Section

3) TEM 분석 (TEM sampling)

FIB의 밀링(Milling)을 이용하여 TEM 관찰을 하고자 하는 부위에 대하여 수십nm 두께의 박막을 제작하여 TEM관찰이 가능한 시편을 제작할 수 있습니다.

특히 저가속 전압 이온빔을 이용하여 damage layer를 최소화하여 TEM 시편을 제작할 수 있습니다.

TEM 분석

TEM SAMPLING

 

4) Ion Channeling Contrast

반응형

주사 이온빔 에서 얻어지는 이미지의 특징으로 숨겨진 입자를 찾는데 유용하며, 특히 금속 박막의 Grain 관찰 및 측정에 유용할 수 있습니다.

Ion Channeling Contrast

5) 3D나노구조형성

3차원 CAD를 FIB장비와 연동하여 FIB의식각/증착(Etching/Deposition)을 이용하여 3D 나노구조물을 형성할 수 있으며, 다양한 나노기술을 응용한 디바이스와 시스템을 형성할 수 있는 토대가 될 것으로 전망하고 있습니다.

 

 

FIB 장비 

 회로 수정 전용: V400ACE 장비

FIB단면분석, EDX성분분석 및 TEM Sampling이 가능한 DualFIBXVISION200 장비

 

 

1) 구리(Cu) 배선회로 수정

 

반도체 금속배선을 구리(Cu)를 사용합니다. 

제품에 대해 회로 수정을 할 경우, 기존의 알루미늄(Al) 배선과는 달리 식각/증착(Etching/Deposition) 시 구리(Cu) 물질이 재증착(Re-deposition) 되어 회로 수정 작업을 진행합니다.

2) 후면 회로 수정

회로 수정 부위 상단부에 두꺼운 금속배선 및 솔더볼이 위치할 경우, 회로 수정이 불가능하며, 이 경우 실리콘 후면 가공을 진행함으로써 회로 수정이 가능합니다.

3) DLC(Diamond Like Carbon) 코팅을 이용한 TEM Sampling

 

DLC(Diamond Like Carbon)를 이용하여 시료 표면에 더욱 단단한 Carbon 코팅을 하여 TEM시편 및 FIB의 밀링(Milling)중발생할 수 있는 Bending 현상을 줄여 TEM분석 시 표면 구조관찰을 용이하게 해 줍니다.

이상으로 FIB 란, FIB 기본원리, FIB에 대한 설명, FIB 사례 에 대한 내용이였습니다.

읽어주셔서 감사합니다.