Fascicul de ioni focalizat

Fascicul de ioni focalizați (cunoscut și sub denumirea de FIB , din engleza Focused Ion Beam ) este o tehnică utilizată în special în domeniile semiconductorilor și științelor materialelor pentru analize ascuțite, depuneri și ablații de materiale . FIB este un instrument științific care seamănă cu un microscop electronic cu scanare (SEM). Cu toate acestea, în timp ce SEM utilizează un fascicul focalizat de electroni pentru a descrie proba din cameră, un FIB folosește în schimb un fascicul focalizat de ioni.

Principiul de funcționare

Mai răspândite sunt instrumentele care utilizează surse de ioni de galiu . Galiul este ales deoarece este ușor să se realizeze o sursă de ioni de galiu lichid (LMSI). Într-un LMSI de galiu, metalul de galiu este pus în contact cu un ac de tungsten și încălzit. Galiul umezeste tungstenul , iar un câmp electric uriaș (mai mare de 10 ⁸ volți pe centimetru) determină emisia și ionizarea atomilor de galiu. FIB poate fi, de asemenea, încorporat într-un sistem cu coloane atât de ioni, cât și de coloane de electroni, permițând analizarea aceluiași aspect utilizând oricare dintre fascicule ^[1] ^[2] .

Acești ioni sunt apoi accelerați la o energie de 5-50 KeV și apoi focalizați pe probă prin lentile electrostatice. Un FIB modern este capabil să trimită un eșantion de zeci de nanoampe și poate retrage un eșantion cu o dimensiune punctuală de nanometri.

Fotografia unei stații de lucru FIB

Spre deosebire de microscopul electronic, FIB este inerent distructiv pentru eșantion. Când ionii de galiu cu energie ridicată ating eșantionul, atomii se vor stropi de pe suprafață. Atomii de galiu vor fi, de asemenea, implantați în câțiva nanometri superiori, iar suprafața va deveni amorfă.

Aplicații

Datorită capacității sale de pulverizare , FIB este utilizat ca o mașină-unealtă micrometrică, pentru a modifica sau prelucra materiale pe o scară micro sau nanometrică. Prelucrarea micrometrică FIB a devenit un domeniu vast, dar prelucrarea nanometrică FIB este un domeniu care încă are nevoie de dezvoltare. Cea mai mică dimensiune a fasciculului actual este de 4-6 nm.

Echipamentele FIB sunt concepute pentru gravarea sau prelucrarea suprafețelor, un FIB ideal ar putea elimina un strat de atomi fără a se dezintegra stratul de atom adiacent sau orice dezintegrare la suprafață. Dar, în prezent, datorită prelucrării prin pulverizare, de obicei, asprează suprafețele la scară submicronică ^[3] .

FIB poate fi, de asemenea, utilizat pentru a depune materialul prin sedimentarea indusă de fasciculul de ioni. O depunere cu vapori asistată de FIB are loc atunci când un gaz, cum ar fi carbonul de tungsten (W (CO) ₆ ), este introdus în camera de vid și lăsat să se fixeze prin adsorbție pe probă. Prin scanarea unei zone cu fasciculul, gazul reactiv va fi descompus în componente volatile și nevolatile, componenta nevolatilă, cum ar fi tungstenul, va rămâne la suprafață ca depozit. Acest lucru este util, deoarece metalul depus poate fi utilizat ca strat de suprafață, pentru a proteja proba de bază de absorbția chimică distructivă a fasciculului. Pot fi depuse și alte materiale, cum ar fi platina.

FIB este adesea utilizat în industria semiconductoarelor pentru a repara sau modifica un dispozitiv semiconductor existent. De exemplu, într-un circuit integrat, un fascicul de galiu ar putea fi folosit pentru a tăia conexiunile electrice nedorite sau pentru a depune material conductiv pentru a realiza conexiuni.

Imagine SEM a unei probe preparate cu un FIB pentru microscopie electronică de transmisie .

FIB este, de asemenea, utilizat în mod obișnuit pentru a prepara probe pentru microscopul electronic cu transmisie (TEM). TEM necesită eșantioane foarte subțiri, de obicei de ordinul a 100 nanometri. Pot fi utilizate alte tehnici, cum ar fi abraziunea ionică sau curățarea electrolitică, pentru a prepara astfel de probe subțiri. Mai mult, rezoluția la scară nanomatică a FIB permite alegerea exactă a regiunii subțiri. Acest lucru este esențial, de exemplu, în analizele de defecțiuni ale circuitului integrat. Dacă un anumit tranzistor din câteva milioane pe un cip integrat este defect, singurul instrument capabil să pregătească proba pentru microscopia electronică a acelui tranzistor este FIB.

Dezavantajul preparării probei FIB este deteriorarea suprafeței și implantarea, care produc efecte evidente atunci când sunt utilizate tehnici precum TEM pentru a retrage rețeaua cristalină la rezoluție înaltă sau spectrografia pierderilor de energie electronică. Această deteriorare a suprafeței poate fi redusă la minimum prin abraziunea cu fascicul de ioni focalizat la joasă tensiune sau prin abraziune suplimentară cu fascicul de ioni de argon de joasă tensiune după finalizarea procesului FIB ^[4] ^[5] .

Pregătirea FIB poate fi utilizată și cu probe congelate criogenic într-un instrument echipat corespunzător, care permite analiza secțiunii transversale a probelor care conțin lichide sau grăsimi, cum ar fi probe biologico-farmaceutice, spume, cerneluri sau produse alimentare. ^[6]

Tehnologiile FIB din viitor vor fi mult mai rapide decât cele actuale, care au timp de locuit de aproximativ 100 ns, ceea ce le face prea lente pentru concurența directă în producția de dispozitive electronice. Nanostructurile cu diametrul de 10 nm crescute în serie printr-o singură placă de siliciu de 12 inci ar dura mai mult de doi ani, indiferent de timpul necesar pentru a transporta FIB de la o nanostructură la alta. ^[3] . Tipul de tăiere și patch-uri pe care le poate efectua FIB îl va face tot mai indispensabil.

Primele sisteme FIB bazate pe tehnologia de emisie de câmp au fost dezvoltate de Levi-Setti [Levi-Setti, R., Scanning Electron Microscopy, (1974), p125] și de Orloff și Swanson [Orloff, J. și Swanson, L., Jour . Vac. Schi. Tech. 12 (1975) p1209] și au utilizat surse de ionizare a câmpului de gaz, GFIS.

Microscop cu ioni de heliu

O altă sursă de ioni care poate fi găsită în instrumentele disponibile în comerț este o sursă de ioni de heliu ^[7] , care este mai puțin inerent dăunătoare probei decât sursa de ioni de galiu. Deoarece ionii de heliu pot fi focalizați într-o sondă mai mică și pot provoca o interacțiune mult mai mică cu proba de electroni din SEM, microscopul cu ioni de heliu poate produce imagini cu rezoluție egală sau mai mare, cu un contrast bun al materialului și cu o adâncime mai mare de focalizare. Instrumentele de pe piață sunt capabile de rezoluții sub 10nm.