フォーカスイオンビーム（FIB）｜微細加工と局所解析を両立する先端技術

2025.03.09

フォーカスイオンビーム

フォーカスイオンビーム（Focused Ion Beam、FIB）とは、高エネルギーのイオンビームを極めて細く絞り、試料に照射することで微細加工や観察を行う技術である。半導体プロセスから材料科学、故障解析や微小部の試料作製に至るまで、様々な分野で活用されている。ガリウム(Ga)イオン源が広く用いられてきたが、近年ではプラズマを用いた高速FIB装置や、液体金属イオン源の種類を拡充させた新しいシステムも開発されており、高精度かつ多機能な加工・観察が可能になっている。

Table Of Contents

基本原理

FIB装置では、液体金属イオン源(LMIS)やプラズマイオン源を用いてイオンを生成し、電子レンズと同様の電界・磁界による収束系でイオンビームを数nm～数十nm程度まで細く絞る。試料表面に集中的にイオンを衝突させることで、スパッタリング（原子の放出）やイオン誘起反応を起こし、材料を除去・加工できる。特定のガスを導入すると、イオンビームによって分解されたガスが表面に堆積し、微細な金属膜や絶縁膜を付着させることも可能である。これにより、微細な加工と堆積が同一装置で行える点がフォーカスイオンビームの大きな特徴といえる。

主な用途

  • 微細加工：半導体デバイスの回路修正、TEM観察のための薄片試料作製、MEMSなどのプロトタイプ加工
  • SEM/FIB複合観察：SEM（走査型電子顕微鏡）を組み合わせた装置では、その場で表面観察しながら加工が可能
  • 試料局所解析：故障解析や異物解析では、フォーカスイオンビームで露出させた断面をEDS（エネルギー分散型X線分析）やEBSDなどで評価
  • ナノ構造形成：イオンビーム堆積を使って微小な電極・配線を形成したり、3Dナノ構造を作製したりできる

Gaイオン源とプラズマイオン源

従来のフォーカスイオンビームは、主に液体金属イオン源(LMIS)のガリウム(Ga)イオン源が標準的に使われてきた。Gaイオン源はビーム径が非常に細く、高精度の微細加工が得意だが、ビーム電流が限られるため加工速度は速くはない。一方で、近年開発されたプラズマイオン源（Xeイオン源など）では、より大きなビーム電流を確保できるため、大面積や厚い領域の加工速度を大幅に向上できる。用途に応じてGa系の高精度・低速加工か、プラズマ系の高速加工を使い分けるのが一般的である。

断面観察と断面ポリッシュ

フォーカスイオンビームを活用すると、試料の表面を選択的に削り出すことで断面を露出させ、SEMなどでその断面構造を観察できる。特に複合材料や多層フィルム、半導体の配線部分など、内部構造が重要な対象では、既存の断面作製手法（機械研磨、イオンミリングなど）よりも正確かつ局所的に切削が行える。高電流で大きく削った後、低電流で仕上げを行うことで表面ダメージを最小化し、鮮明な断面画像が得られる。

ガス誘導堆積(GIS)

FIB装置にガス導入システム(GIS : Gas Injection System)が搭載されている場合、イオンビームを照射した局所領域にガスを供給することで、さまざまな材料を堆積させることができる。タングステンなどの金属膜やSiOxなどの絶縁膜を微細パターンとして形成できるため、断面保護、電極形成、回路修正、フィクスチャー作製など多彩な用途に応用される。また、エッチングガスを用いると加工効率を高めたり選択エッチングを行うことも可能となる。

測定精度と注意点

FIB加工はイオン照射による損傷が避けられず、Gaイオン注入やスパッタダメージが材料に残ることがある。回路修正やTEM試料作製では、この損傷や再付着に留意して、適切なビーム電流やエネルギーを選定する必要がある。また、表面を削る際に段差やアーティファクト（偽構造）が生じる場合もあり、正確な断面観察のためには仕上げ加工や低エネルギーイオンの使用が推奨される。試料の熱伝導や帯電特性も影響を与えるため、導電コートや冷却機構などの工夫も重要である。

コメント（β版）