Keskitetty ionisäde

Fokusoitu ionisuihku ( FIB ,  FIB, Focused Ion Beam ) on materiaalitieteen laajasti käytetty tekniikka materiaalien paikalliseen analysointiin, kerrostukseen ja syövytykseen . Ionietsausjärjestelmä muistuttaa pyyhkäisyelektronimikroskooppia . Elektronimikroskooppi käyttää elektronisuihkua , kun taas SIP käyttää raskaampia hiukkasia - ioneja (suuremmalla kineettisellä energialla ). On asennuksia, joissa käytetään molempia palkkityyppejä. Älä sekoita SIP:tä litografialaitteeseen, jossa käytetään myös ionisuihkua, mutta sen intensiteetti on alhainen, ja etsauksessa pääominaisuus on itse estopinnoite.

Ionilähde

Paikallisanalyysin yleisimmät ionilähteet ovat ns. nestemäiset metallilähteet, joissa käytetään galliumia . Galliumin sulamispiste on ~ 30 °C .

Galliumin lisäksi lähteissä käytetään myös kultaa ja iridiumia . Galliumlähteessä kuumennettu metalli joutuu kosketuksiin volframineulan kanssa . Gallium kostuttaa volframia ja suuri sähkökenttä (yli 10 8 V / cm ) aiheuttaa ionisaatiota ja gallium-ionien emission. Sitten ionit kiihdytetään 5-50 keV :n energiaan ja fokusoidaan näytteeseen sähköstaattisen linssin avulla . Nykyaikaisissa asennuksissa virta saavuttaa kymmeniä nanoampeereja , mikä keskittyy useiden nanometrien pisteeseen .

Kuinka se toimii

Ensimmäiset SIP:t luotiin 90-luvun alussa. SIP:n toimintaperiaate on samanlainen kuin elektronimikroskoopin toiminta pienellä mutta merkittävällä erolla - SIP:t käyttävät ionisuihkua elektronisuihkun sijaan.

Gallium-ionit törmäävät näytteeseen sähkökentän kiihdytyksen jälkeen. Ionien kineettinen energia riittää sputteroimaan näytemateriaalin. Alhaisilla virroilla pieni määrä materiaalia poistetaan. Nykyaikaisissa SIT:issä saavutetaan noin 5 nm :n resoluutio [1] [2] ). Suurilla virroilla ionisäde leikkaa helposti näytteen submikronin tarkkuudella.

Jos näyte on valmistettu johtamattomasta materiaalista, sen pinnalle kerääntyy ioneja, jotka hylkivät ionisäteen. Tämän välttämiseksi elektronien virtaus neutraloi kertyneen varauksen . Uusimmissa SIP:issä on oma kuvantamisjärjestelmä, joten käsittelyn ohjaamiseen ei tarvitse käyttää elektronimikroskooppia [3] .

Laite

Toisin kuin elektronimikroskooppi, CIP "tuhoaa" näytteen. Kun gallium-ionit osuvat näytteen pintaan, ne "vetävät" ulos atomit, jotka muodostavat näytteen. Pintakäsittelyn aikana näytteeseen istutetaan myös galliumatomeja useiden nanometrien syvyyteen. Sitten näytteen pinta tulee amorfiseen tilaan.

SIP voi käsitellä näytteen pintaa erittäin ohuesti - pinnasta on mahdollista poistaa kerros atomikokoa vastaavalle syvyydelle, mutta ei vaikuta seuraavaan kerrokseen ollenkaan. Näytteen pinnan karheus ionisuihkukäsittelyn jälkeen on alle mikroni [4] [5]

Ionien ominaisuudet

Suurin perustavanlaatuinen ero SIB:n ja fokusoidun elektronisuihkumenetelmien (kuten SEM , PREM ja EBID ) välillä on ionien käyttö elektronien sijasta, mikä muuttaa merkittävästi tutkittavan näytteen pinnalla olevia prosesseja. Tärkeimmät ominaisuudet vuorovaikutuksen seurauksille näytteen kanssa ovat:

Ionit ovat suurempia kuin elektronit

• Koska ionit ovat suurempia kuin elektronit, ne eivät voi niin helposti tunkeutua yhteen näytteen atomiin. Vuorovaikutus sisältää pääasiassa ulkokuoren ja johtaa pinnalla olevien atomien kemiallisten sidosten ionisaatioon ja tuhoutumiseen.
• Ionien tunkeutumissyvyys on paljon pienempi kuin saman energian elektronien tunkeutumissyvyys.
• Matriisi sieppaa materiaalissa olevan pysähtyneen ionin.

Ionit ovat raskaampia kuin elektronit

• Koska ionit ovat raskaampia, ne voivat saada enemmän vauhtia . Eli samalla energialla kuin elektroni, ionin liikemäärä voi ylittää elektronin liikemäärän 370 kertaa.
• Saman energian ionit liikkuvat hitaammin kuin elektronit, mutta tämä on mitätöntä pyyhkäisynopeuteen verrattuna, eikä sillä ole käytännössä merkitystä.
• Magneettiset linssit eivät ole yhtä tehokkaita kuin elektroneille, joten käytetään sähköstaattisia linssejä.

Ionit ovat positiivisesti varautuneita ja elektronit negatiivisesti varautuneita.

• Tällä erolla on vähäisiä seurauksia ja se vaikuttaa ionisädettä ohjaavan ja kiihdyttävän kentän polariteettiin.

Siten ionit ovat positiivisesti varautuneita, raskaita ja hitaita, kun taas elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, pieniä kooltaan ja massaltaan, mutta niiden nopeus on kuitenkin suurempi. Yllä olevien ominaisuuksien tärkein seuraus on, että ionisuihku poistaa atomeja näytteen pinnalta. Tässä tapauksessa säteen asentoa, viipymisaikaa ja kokoa voidaan hallita hyvin. Siksi sitä voidaan käyttää kontrolloituun syövytykseen nanometrin mittakaavassa. [6]

Katso myös

• ionilähde
• Heijastunut elektronien diffraktio (EBSD)
• Pyyhkäisevä elektronimikroskooppi
• Pyyhkäisevä heliumionimikroskooppi
• Ionisädeanalyysi

Kirjallisuus

1. ↑ J. Orloff, LW Swanson ja M. Utlaut, "Fundamental Limits on Imaging Resolution in Focused ion Beam Systems", J. Vac. sci. Tech. B14 (1996) s. 3759 doi : 10,1116/1,588663
2. ↑ V. Castaldo, CW Hagen, B. Rieger ja P. Kruit, "Sputterointirajat versus signaali-kohinarajat Sn-pallojen havainnointiin Ga+-mikroskoopissa", J. Vac. sci. Tech. B26 (2008) p 2107 doi : 10.1116/1.3013306
3. ↑ Johdanto: Focused Ion Beam Systems . Haettu 6. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 16. huhtikuuta 2012. (määrätön)
4. ↑ J. Orloff, M. Utlaut ja L. Swanson. Korkean resoluution fokusoidut ionisäteet: FIB ja sen  sovellukset . - Springer Press , 2003. - ISBN 0-306-47350-X . Arkistoitu 23. huhtikuuta 2018 Wayback Machineen
5. ↑ L. A. Giannuzzi ja F. A. Stevens. Johdatus fokusoituihin ionisäteisiin: instrumentointi, teoria, tekniikat ja  käytäntö . - Springer Press , 2004. - ISBN 978-0-387-23116-7 .
6. ↑ FEI-yhtiö. Keskitetty ionisuihkutekniikka , ominaisuudet ja sovellukset  . – 2006.

Lisätietoa varten

• Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Materiaalien ioniplasmakäsittely. - M . : Radio ja viestintä, 1986. - 232 s.
• Popov VF Ionisädeasennukset. - L .: Energoizdat, 1981. - 136 s.

• Gabovich M.D. Ioni- ja atomisäteet kontrolloituun lämpöydinfuusion ja teknologisiin tarkoituksiin. — M .: Energoatomizdat, 1986. — 248 s.

• Forrester, T. A. Voimakkaat ionisäteet. - M .: Mir, 1992. - 354 s. — ISBN 5-03-001999-0 .
• Broday I., Merey J. Mikroteknologian fyysiset perusteet. - M .: Mir, 1985. - 496 s. — ISBN 200002876210.

• Popov VF, Gorin Yu. N. Elektroni-ionitekniikan prosessit ja asennukset. - M . : Korkeampi. koulu, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .

• Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Tyhjiöprosessit ja laitteet ioni- ja elektronisuihkuteknologiaan. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .

• Mackenzie, RA D. Focused ion beam technology: a bibliography  (indefinite)  // Nanotechnology. - 1990. - T. 1 . - S. 163 . - doi : 10.1088/0957-4484/1/2/007 .
• J. Orloff. Varattujen hiukkasten optiikan käsikirja  (rajoittamaton) . - CRC Press , 2009. - ISBN 978-1-4200-4554-3 .