Сфокусированный ионный пучок

Сфокусированный (фокусированный) ионный пучок (СИП или ФИП) (англ. Focused ion beam (FIB)) — широко используемая методика в материаловедении для локального анализа, напыления и травления материалов. Установка для ионного травления напоминает растровый электронный микроскоп. В электронном микроскопе используется пучок электронов, тогда как в СИП применяют более тяжелые частицы — ионы (с большей кинетической энергией). Бывают установки, использующие оба вида пучков. Не следует путать СИП с устройством для литографии, где также используется ионный пучок, но слабой интенсивности, а в травлении основным является свойства самого резиста.

Фотография СИП-установки

Источник ионов

Самыми распространенными источниками ионов являются так называемые жидко-металлические, в которых используется галлий. Температура плавления галлия равна ~ 30 °C.

Кроме галлия в источниках используются также золото и иридий. В галлиевом источнике нагретый металл соприкасается с вольфрамовой иглой. Галлий смачивает вольфрам, а большое электрическое поле (более 10⁸ В/см) вызывает ионизацию и эмиссию ионов галлия. Затем ионы ускоряются до энергии в 5-50 кэВ и фокусируются на образец с помощью электростатической линзы. В современных установках ток достигает десятки наноампер, который фокусируется в пятно в несколько нанометров.

Принцип действия

РЭМ изображение тонкого ПЭМ образца вырезанное СИП-ом.

Принцип работы СИП

Первые СИПы были созданы в начале 90-х годов. Принцип работы у СИПа похож на работу электронного микроскопа с небольшой, но существенной разницей — в СИПах используются ионный пучок вместо электронного.

Ионы галлия после ускорения электрическим полем сталкиваются с образцом. Кинетической энергии ионов достаточно, чтобы «выбивать» (англ. sputtering process) атомы материала из образца. При малых токах удаляется небольшое количество материала. В современных СИПах достигается разрешение около 5 нм^[1][2]). При больших токах ионный пучок легко режет образец с субмикронной точностью.

Если образец изготовлен из непроводящего ток материала, то на его поверхности накапливаются ионы, которые отталкивают пучок ионов. Чтобы избежать этого, накопленный заряд нейтрализуется потоком электронов. СИПы последних разработок имет собственную систему изображений, поэтому нет необходимости использовать электронный микроскоп для контроля процесса обработки^[3].

Устройство

Схема и реальный СИП

В отличие от электронного микроскопа, СИП «разрушает» образец. При ударе ионов галлия о поверхность образца, они «вырывают» атомы, из которых состоит образец. В ходе обработки поверхности атомы галлия также имплантируются в глубину образца на несколько нанометров. Поверхность образца после этого приходит к аморфному состоянию.

СИП может обрабатывать поверхность образца очень тонко — возможно удалить слой с поверхности на глубину равную атомному размеру, при этом совершенно не затрагивая следующий слой. Шероховатость поверхности образца после обработки ионным пучком составляет менее микрона^[4][5]

Особенности ионов

Основным фундаментальным отличием СИП от методов сфокусированного электронного пучка (таких как РЭМ, STEM и EBID) — это использование ионов вместо электронов, что существенно меняет процессы на поверхности исследуемого образца. Наиболее важными характеристиками по последствиям взаимодействия с образцом являются:

Ионы больше электронов

• Поскольку ионы больше электронов, то они не могут так легко проникать в отдельный атом образца. Взаимодействие в основном включает внешнюю оболочку и приводит к ионизации и разрушению химических связей атомов на поверхности.
• Глубина проникновения ионов гораздо меньше глубины проникновения электронов той же энергии.
• Остановившийся ион в материале захватывается матрицей.

Ионы тяжелее электронов

• Поскольку ионы тяжелее, то они могут приобратать больший импульс. Так, при одной энергии с электроном, импульс иона может превышать импульс электрона в 370 раз.
• Ионы при той же энергии движутся медленнее электронов, однако это незначительно по сравнению со скоростью сканирования и на практике не имеет значения.
• Магнитные линзы не так эффективы, как для электронов, поэтому используются электростатические.

Ионы имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный

• Это различие имеет незначительные последствия и влияет на полярность поля контролирующего и ускоряющего пучок ионов.

Таким образом, ионы имеют положительный заряд, тяжелы и медленны, в то время как электроны отрицательно заряжены, имеют малый размер и массу, и при этом обладают большей скоростью. Наиболее важным следствием указанных выше свойств является то, что ионный пучок будет удалять атомы с поверхности образца. При этом положения пучка, время пребывания и размер возможно хорошо контролировать. Поэтому его можно применять для контролируемого травления, вплоть до нанометрового масштаба.^[6]

См. также

• Дифракция отраженных электронов (EBSD)
• Растровый электронный микроскоп
• Сканирующий гелиевый ионный микроскоп

Литература

1. ↑ J. Orloff, L.W. Swanson and M. Utlaut, «Fundamental Limits on Imaging Resolution in Focused ion Beam Systems», J. Vac. Sci. Tech. B14 (1996) p 3759 DOI:10.1116/1.588663
2. ↑ V. Castaldo, C.W. Hagen, B. Rieger and P. Kruit, "Sputtering limits versus signal-to-noise limits in the observation of Sn balls in a Ga+ microscope, " J. Vac. Sci. Tech. B26 (2008) p 2107 DOI:10.1116/1.3013306
3. ↑ Introduction : Focused Ion Beam Systems. Архивировано из первоисточника 16 апреля 2012. Проверено 6 августа 2009.
4. ↑ J. Orloff, M. Utlaut and L. Swanson High Resolution Focused Ion Beams: FIB and Its Applications. — Springer Press, 2003. — ISBN 0-306-47350-X
5. ↑ L.A. Giannuzzi and F.A. Stevens Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice. — Springer Press, 2004. — ISBN 978-0-387-23116-7
6. ↑ FEI Company Focused ion beam technology, capabilities and applications. — 2006.

Для дальнейшего чтения

• Mackenzie, R A D (1990). «Focused ion beam technology: a bibliography». Nanotechnology 1: 163. DOI:10.1088/0957-4484/1/2/007.
• J. Orloff Handbook of Charged Particle Optics. — CRC Press, 2009. — ISBN 978-1-4200-4554-3