Fokusovaný iontový paprsek

Fokusovaný iontový paprsek ( FIB ,  FIB, Focused Ion Beam ) je široce používaná technika v materiálové vědě pro lokální analýzu, depozici a leptání materiálů. Nastavení iontového leptání připomíná rastrovací elektronový mikroskop . Elektronový mikroskop využívá svazek elektronů , zatímco SIP využívá těžší částice - ionty (s vyšší kinetickou energií ). Existují instalace, které používají oba typy nosníků. SIP by se neměl zaměňovat se zařízením pro litografii , kde se také používá iontový paprsek, ale s nízkou intenzitou a při leptání jsou hlavní vlastnosti samotného rezistu.

Zdroj iontů

Nejběžnějšími zdroji iontů v lokální analýze jsou takzvané zdroje tekutých kovů, které využívají gallium . Bod tání gallia je ~ 30 °C .

Kromě galia se ve zdrojích používá také zlato a iridium . Ve zdroji gallia přichází zahřátý kov do kontaktu s wolframovou jehlou. Gallium smáčí wolfram a velké elektrické pole (více než 10 8 V / cm ) způsobuje ionizaci a emisi galliových iontů. Ionty jsou poté urychleny na energii 5-50 keV a zaostřeny na vzorek pomocí elektrostatické čočky . V moderních instalacích dosahuje proud desítek nanoampérů , který je zaostřen do bodu několika nanometrů .

Jak to funguje

První SIP byly vytvořeny na počátku 90. let. Princip činnosti SIP je podobný činnosti elektronového mikroskopu s malým, ale významným rozdílem - SIP používají iontový paprsek místo elektronového paprsku.

Ionty galia se po urychlení elektrickým polem srazí se vzorkem. Kinetická energie iontů je dostatečná k rozprášení materiálu vzorku. Při nízkých proudech se odstraní malé množství materiálu. V moderních SIT se dosahuje rozlišení asi 5 nm [1] [2] ). Při vysokých proudech iontový paprsek snadno řeže vzorek se submikronovou přesností.

Pokud je vzorek vyroben z nevodivého materiálu, pak se na jeho povrchu hromadí ionty, které odpuzují iontový paprsek. Aby se tomu zabránilo, nahromaděný náboj je neutralizován tokem elektronů. Nejnovější SIP mají svůj vlastní zobrazovací systém, takže pro řízení zpracování není potřeba používat elektronový mikroskop [3] .

Zařízení

Na rozdíl od elektronového mikroskopu CIP vzorek "zničí". Když ionty galia narazí na povrch vzorku, „vytáhnou“ atomy, které tvoří vzorek. Během povrchové úpravy jsou do vzorku implantovány také atomy galia několik nanometrů hluboko. Povrch vzorku pak přejde do amorfního stavu.

SIP dokáže ošetřit povrch vzorku velmi tence - je možné odstranit vrstvu z povrchu do hloubky rovné atomární velikosti, přičemž další vrstvu neovlivníte vůbec. Drsnost povrchu vzorku po ošetření iontovým paprskem je menší než mikron [4] [5]

Vlastnosti iontů

Hlavním zásadním rozdílem mezi metodami SIB a metodami fokusovaného elektronového svazku (jako jsou SEM , PREM a EBID ) je použití iontů místo elektronů, které výrazně mění procesy na povrchu zkoumaného vzorku. Nejdůležitější charakteristiky pro důsledky interakce se vzorkem jsou:

Ionty jsou větší než elektrony

• Protože ionty jsou větší než elektrony, nemohou tak snadno proniknout jediným atomem vzorku. Interakce zahrnuje především vnější obal a vede k ionizaci a destrukci chemických vazeb atomů na povrchu.
• Hloubka průniku iontů je mnohem menší než hloubka průniku elektronů stejné energie.
• Zastavený iont v materiálu je zachycen matricí.

Ionty jsou těžší než elektrony

• Protože jsou ionty těžší, mohou získat větší hybnost . Takže při stejné energii jako elektron může hybnost iontu překročit hybnost elektronu 370krát.
• Ionty při stejné energii se pohybují pomaleji než elektrony, ale to je v porovnání s rychlostí skenování zanedbatelné a v praxi to nevadí.
• Magnetické čočky nejsou tak účinné jako pro elektrony, proto se používají elektrostatické čočky.

Ionty jsou nabité kladně a elektrony záporně.

• Tento rozdíl má menší důsledky a ovlivňuje polaritu pole, které řídí a urychluje iontový paprsek.

Ionty jsou tedy kladně nabité, těžké a pomalé, zatímco elektrony jsou nabité záporně, mají malou velikost a hmotnost, a přesto mají větší rychlost. Nejdůležitějším důsledkem výše uvedených vlastností je, že iontový paprsek odstraní atomy z povrchu vzorku. V tomto případě lze dobře ovládat polohu paprsku, dobu zdržení a velikost. Lze jej tedy použít pro řízené leptání až do nanometrového měřítka. [6]

Viz také

• iontový zdroj
• Difrakce odražených elektronů (EBSD)
• Rastrovací elektronový mikroskop
• Skenovací heliový iontový mikroskop
• Analýza iontového paprsku

Literatura

1. ↑ J. Orloff, LW Swanson a M. Utlaut, "Základní limity rozlišení zobrazení v systémech s fokusovaným iontovým paprskem", J. Vac. sci. Tech. B14 (1996) p 3759 doi : 10.1116/1.588663
2. ↑ V. Castaldo, CW Hagen, B. Rieger a P. Kruit, "Limity rozprašování versus limity signál-šum při pozorování Sn kuliček v Ga+ mikroskopu," J. Vac. sci. Tech. B26 (2008) p 2107 doi : 10.1116/1.3013306
3. ↑ Úvod: Systémy fokusovaného iontového paprsku . Získáno 6. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 16. dubna 2012. (neurčitý)
4. ↑ J. Orloff, M. Utlaut a L. Swanson. Fokusované iontové paprsky s vysokým rozlišením: FIB a jeho  aplikace . - Springer Press , 2003. - ISBN 0-306-47350-X . Archivováno 23. dubna 2018 na Wayback Machine
5. ↑ L. A. Giannuzzi a F. A. Stevens. Úvod do fokusovaných iontových paprsků: Instrumentace, teorie, techniky a  praxe . - Springer Press , 2004. - ISBN 978-0-387-23116-7 .
6. ↑ Společnost FEI. Technologie fokusovaného iontového paprsku , možnosti a aplikace  . — 2006.

Pro další čtení

• Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Ion-plasma processing of materials. - M . : Rozhlas a komunikace, 1986. - 232 s.
• Popov VF iontové instalace. - L . : Energoizdat, 1981. - 136 s.

• Gabovič M.D. Svazky iontů a atomů pro řízenou termonukleární fúzi a technologické účely. — M .: Energoatomizdat, 1986. — 248 s.

• Forrester, T. A. Intenzivní iontové paprsky. — M .: Mir, 1992. — 354 s. — ISBN 5-03-001999-0 .
• Broday I., Merey J. Fyzikální základy mikrotechnologie. — M .: Mir, 1985. — 496 s. — ISBN 200002876210.

• Popov VF, Gorin Yu. N. Procesy a instalace elektron-iontové technologie. - M .: Vyšší. škola, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .

• Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Vakuové procesy a zařízení pro technologii iontového a elektronového svazku. - M .: Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .

• Mackenzie, RA D. Technologie fokusovaného iontového paprsku: bibliografie  (neurčitá)  // Nanotechnology. - 1990. - T. 1 . - S. 163 . - doi : 10.1088/0957-4484/1/2/007 .
• J. Orloff. Příručka optiky nabitých částic  (neurčité) . - CRC Press , 2009. - ISBN 978-1-4200-4554-3 .