Кіріспе
Фокустық иондық сәуле, сондай-ақ FIB деп те аталады, – жартылай өткізгіш өнеркәсібінде, материалтануда және, одан әрі, биология саласында материалдарды нақты бір жерде талдау, жағу және абляциялау үшін қолданылатын әдіс. FIB құрылғысы – сканерлік электрондық микроскопқа (SEM) ұқсас ғылыми құрал. Дегенмен, SEM камерадағы сынаманы бейнелеу үшін электрондардың шоғырланған сәулесін пайдаланса, FIB орнатылымы иондардың шоғырланған сәулесін қолданады. FIB электрондық және иондық сәуле бағаналары бар жүйеге де біріктірілуі мүмкін, бұл кез келген сәулені пайдаланып бірдей нысанды зерттеуге мүмкіндік береді. FIB-ді тікелей жазу литографиясы үшін (мысалы, протондық сәулемен жазу) шоғырланған иондар сәулесін қолданумен шатастыруға болмайды. Бұл әдетте материалдың басқа механизмдер арқылы өзгеретін мүлдем басқа жүйелер.
Focused ion beam, also known as FIB, is a technique used particularly in the semiconductor industry, materials science and increasingly in the biological field for site specific analysis, deposition, and ablation of materials. A FIB setup is a scientific instrument that resembles a scanning electron microscope (SEM). However, while the SEM uses a focused beam of electrons to image the sample in the chamber, a FIB setup uses a focused beam of ions instead. FIB can also be incorporated in a system with both electron and ion beam columns, allowing the same feature to be investigated using either of the beams. FIB should not be confused with using a beam of focused ions for direct write lithography (such as in proton beam writing). These are generally quite different systems where the material is modified by other mechanisms.
Иондық сәуле көзі
Көптеген кең таралған құралдар сұйық металл иондық көздерін (LMIS) пайдаланады, әсіресе галлий иондық көздерін. Элементар алтын мен иридийге негізделген иондық көздер де қолжетімді. Галлий LMIS-де галлий металы вольфрам инесімен жанасады, ал қыздырылған галлий вольфрамды ылғалдап, ине ұшына ағылады, онда беттік кернеу мен электр өрісінің қарама-қарсы күштері галлийді Тейлор конусы деп аталатын ұшты пішінге келтіреді. Бұл конустың ұш радиусы өте кішкентай (~2 нм). Бұл кішкентай ұштағы күшті электр өрісі (әр сантиметрге 1 вольттан жоғары) галлий атомдарының иондануына және өрістен шығарылуына себеп болады. Көз иондары содан кейін, энергиясына дейін үдетіліп, электростатикалық линзалар арқылы үлгіге шоғырланады. LMIS жоғары ток тығыздығымен және өте тар энергия диапазонымен иондық сәулелерді жасайды. Қазіргі заманғы FIB үлгіге ондаған наноампер ток жеткізе алады немесе бірнеше нанометрлік нүктелік өлшеммен үлгіні бейнелей алады. Жақында ксенон сияқты инертті газ иондарының плазмалық сәулелерін пайдаланатын құралдар кеңінен қолданыла бастады.
Принцип
Фокус етілген иондық сәуле (FIB) жүйелері коммерциялық түрде шамамен жиырма жылдан бері өндіріліп келеді, негізінен ірі жартылай өткізгіш өндірушілер үшін. FIB жүйелері сканерлік электрондық микроскоптарға (SEM) ұқсас принципте жұмыс істейді, бірақ электрондық сәуле орнына, FIB жүйелері иондардың (әдетте галлий) мұқият бағытталған сәулесін пайдаланады. Бұл сәуле кескіндер жасау үшін төмен ток күшінде, ал нақты бір жерде материалды жою (пырлы немесе ұнтақтау) үшін жоғары ток күшінде қолданылады. Оң жақтағы суретте көрсетілгендей, галлий (Ga+) негізгі иондық сәулесі сынама бетіне тиеді және аз мөлшерде материалды шығарып жібереді, ол екіншілік иондар (i+ немесе i−) немесе бейтарап атомдар (n0) түрінде беттен ұшып кетеді. Негізгі сәуле сонымен қатар екіншілік электрондарды (e−) да жасайды. Негізгі сәуле сынама бетін сканерлеген кезде, шығарылған иондардан немесе екіншілік электрондардан алынған сигнал бейне құру үшін жиналады. Төмен негізгі сәуле тогында аз ғана материал шығарылады және қазіргі заманғы FIB жүйелері 5 нм ажыратымдылыққа оңай жете алады (галлий иондарымен бейнелеу ажыратымдылығы шашырау және детектордың тиімділігімен шектеліп, шамамен 5 нм-ге жетеді). Жоғары ток күшінде көп мөлшерде материал шығарылып, сынаманы микрометрлік немесе тіпті нано масштабқа дейін дәл кесуге болады. Егер сынама өткізгіш болмаса, зарядты бейтараптандыру үшін төмен энергиялы электрондық сәуле қолданылуы мүмкін. Осылайша, оң негізгі иондық сәулені пайдаланып, оң екіншілік иондармен бейнелеу арқылы, тіпті жоғары оқшауланған сынамаларды SEM-де қажет болатын өткізгіш беттік қабатсыз бейнелеуге және кесуге болады. Бұған дейін FIB негізінен жартылай өткізгіш өнеркәсібінде қолданылып келді. Ақауларды талдау, тізбектерді өзгерту, фотомаскаларды жөндеу және интегралдық тізбектердегі нақты бір жерлерден электрондық микроскопқа (TEM) сынама дайындау сияқты қолданыстар кең таралған процедураларға айналды. Жаңа FIB жүйелері жоғары ажыратымдылыққа ие, ал бұл мүмкіндік in situ кесумен біріктірілгенде, көп жағдайда FIB кесілген сынамаларды жеке SEM құралында қарау қажеттігін жояды. Ең жоғары ажыратымдылықты бейнелеу үшін және сезімтал сынамаларға зақым келтірмеу үшін SEM бейнелеуі әлі де қажет. Дегенмен, SEM және FIB бағаналарын бір камераға біріктіру екеуінің де артықшылықтарын пайдалануға мүмкіндік береді.
FIB бейнелеу
Төменгі сәулелік тоқтарда FIB бейнелеу ажыратымдылығы бейнелеу топографиясы тұрғысынан кең таралған сканерлі электронды микроскоппен (SEM) шайқаса бастайды, бірақ FIB-тің екінші электронды және екінші ионды бейнелеу режимдері, екеуі де бастапқы иондық сәуле арқылы туындайды, SEM-нен көп артықшылықтар ұсынады. FIB екінші электронды суреттері дән бағдарының айқын контрастын көрсетеді. Осының нәтижесінде, дән морфологиясын химиялық жоюға жүгінбестен-ақ оңай бейнелеуге болады. Дән шекарасының контрастын бейнелеу параметрлерін таңдау арқылы күшейтуге болады. FIB екінші ионды суреттері химиялық айырмашылықтарды да көрсетеді және коррозияны зерттеуде өте пайдалы, себебі металдардың екінші иондық шығымы оттегінің болуымен үш есеге артады, бұл коррозияның бар екенін анық көрсетеді. FIB екінші электронды бейнелеудің тағы бір артықшылығы – иондық сәуле ақуыздарды белгілеу үшін қолданылатын флуоресценттік зондтардың сигналын өзгерте алмайды, соның арқасында FIB екінші электронды суреттерін флуоресценттік микроскоптардан алынған суреттермен салыстыруға болады.
Депозит беру
FIB сонымен қатар иондық сәулемен шақырылған жабыну арқылы материалды жабу үшін де қолданылуы мүмкін. FIB көмегімен химиялық бумен жабыну, вольфрам гексакарбонил (W(CO)6) сияқты газды вакуумдық камераға енгізгенде және оның үлгі бетіне химиялық түрде сіңірілуіне мүмкіндік бергенде жүзеге асады. Сәулемен белгілі бір аймақты сканерлеу арқылы, алдын ала газ ұшқыш және ұшқыш емес компоненттерге ыдырайды; ұшқыш емес компонент, мысалы вольфрам, бетте жабыну ретінде қалады. Бұл пайдалы, себебі жабылған металл құрбанды қабат ретінде қолданылуы мүмкін, бұл негізгі үлгіні сәуленің бұзуынан қорғайды. Нанометрден жүздеген микрометрге дейінгі ұзындықта вольфрамды металл жабу металл сызықтарын қажетті жерге орнатуға мүмкіндік береді. Платина, кобальт, көміртек, алтын және т.б. сияқты басқа материалдар да жергілікті түрде жабылуы мүмкін. FIB жиі жартылай өткізгіш өнеркәсібінде жартылай өткізгіш құрылғыны жөндеу немесе өзгерту үшін қолданылады. Мысалы, интегралды схемада галлий сәулесі қажетсіз электрлік байланыстарды үзу үшін және/немесе байланыс жасау үшін өткізгіш материалды жабу үшін пайдаланылуы мүмкін. Беттік өзара әрекеттесудің жоғары деңгейі жартылай өткізгіштерді үлгілі допингтеуде пайдаланылады. FIB сондай-ақ маскасыз имплантация үшін де қолданылады.
ТЭМ дайындау үшін
FIB сонымен қатар, жиі беріліс электронды микроскопы үшін үлгілерді дайындау үшін қолданылады. TEM үшін өте жұқа үлгілер қажет, әдетте ~100 нанометр немесе одан да аз. Мұндай жұқа үлгілерді дайындау үшін иондық ұнтақтау немесе электрополировка сияқты басқа да әдістерді қолдануға болады. Дегенмен, FIB-тің нанометрлік масштабтағы ажыратымдылығы қызығушылық тудыратын нақты аймақты таңдауға мүмкіндік береді, мысалы, материалдағы астық шекарасы немесе ақау. Бұл, мысалы, интегралды схемалардың ақауларын талдау кезінде өте маңызды. Егер микросхемадағы бірнеше миллион транзистордың біреуі жұмыс істемейтін болса, онда тек FIB ғана сол транзистордың электронды микроскопқа арналған үлгісін дайындауға қабілетті құрал болып табылады. FIB үлгісін дайындаудың кемшіліктері – жоғарыда аталған беткі зақымдану және имплантация, олар жоғары ажыратымды "торлы бейнелеу" TEM немесе электронды энергия жоғалту спектроскопиясы сияқты әдістерді қолданғанда байқалатын әсерлерді тудырады. Бұл зақымдалған қабатты төмен сәуле кернеулерімен FIB арқылы өңдеу арқылы немесе FIB процесін аяқтағаннан кейін төмен кернеулі аргон иондық сәулемен қосымша өңдеу арқылы азайтуға болады. FIB дайындығы криогендік түрде мұздатылған үлгілермен де қолданылуы мүмкін, бұл сұйықтықтар немесе майлар бар үлгілердің, мысалы, биологиялық үлгілердің, фармацевтикалық препараттардың, көбіктердің, сиялардың және тағам өнімдерінің көлденең қимасын талдауға мүмкіндік береді. FIB екінші иондық массалық спектрометрияда (SIMS) да қолданылады. Сәулеленген екіншілік иондар бастапқы иондық сәулемен үлгінің бетін шашыратқаннан кейін жиналады және талданады.
Сезімтал үлгілерді тасымалдау үшін
Трансмиссиялық электронды микроскопия (TEM) үлгілеріне (ламеллалар, жұқа пленкалар және басқа механикалық және сәулеге сезімтал үлгілер) минималды кернеу мен иілуді енгізу мақсатында, шоғырланған иондық сәуле (FIB) ішінде көшірген кезде, икемді металл наносымдарды әдетте қатаң микроманипуляторға жалғауға болады. Бұл әдістің басты артықшылықтары – үлгіні дайындау уақытын айтарлықтай қысқарту (наносымды төмен ток күшімен жылдам дәнекерлеу және кесу), сондай-ақ кернеуден туындаған иілуді, Pt ластануын және иондық сәуленің зақымдауын азайту. Бұл техника, ең әсіресе, электронды микроскопия үшін үлгіні дайындау кезінде тиімді қолданылады.
Atom Probe үлгісін дайындау үшін
ТЭМ үлгілерін дайындау кезінде қолданылатын тізбектеп келетін ұсақтау қадамдары атомдық зонд томографиясы үшін конустық үлгілерді дайындау үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайда ион, ішкі ұсақтау шеңбері прогрессивті түрде кішірейе түсетін сақина тәрізді ұсақтау жолымен қозғалады. Үлгіге зақым келтірмеу немесе оны бүлдірмеу үшін, ішкі шеңбердің мөлшері кішірейген сайын сәуле тогы көбінесе төмендетіледі.
FIB томографиясы
Фокусталған иондық сәуле үлгідегі субмикрондық элементтерді нақты бір жерде 3D бейнелеу үшін қуатты құралға айналды. Бұл FIB томографиясы техникасында үлгі электрондық сәуле арқылы жаңа ашылған бетін бейнелеу кезінде, үлгіге перпендикуляр иондық сәулемен кезең-кезеңімен ұсатылады. Бұл "кесіп алып қарау" әдісі деп аталады, ол SEM-нің барлық бейнелеу режимдерінде, соның ішінде екінші электронды, кері шашыраған электронды және энергиялық дисперсиялық рентген сәулесімен өлшеу арқылы ірі масштабты наноқұрылымдарды сипаттауға мүмкіндік береді. Бұл процесс бұзушыл, себебі әрбір сурет алынғаннан кейін үлгі кезең-кезеңімен ұсатылады. Алынған суреттер тізімі суреттер жинағын тіркеу және артефакттарды жою арқылы 3D көлемге қайта құрастырылады. FIB томографиясының сапасын төмендететін басты артефакт – иондық ұсатудың "пердесі", онда ұсату үлгілері әрбір суретте үлкен, периодты емес жолақтарды құрайды. Иондық ұсатудың "пердесін" жою үшін арнайы алгоритмдер қолданылады. FIB томографиясын бөлме температурасында да, криогендік температурада да, сондай-ақ материалдар мен биологиялық үлгілерде де жүргізуге болады.
Гелий ионы микроскопы (HeIM)
Саудада қол жетімді құралдарда кездесетін тағы бір ион көзі – гелий ион көзі. Ол табиғаты бойынша галлий иондарына қарағанда үлгіге аз зиян келтіреді, бірақ жоғары ұлғайтуда және ұзақ сканерлеу кезінде, әсіресе, материалдың шағын бөліктерін шашырата алады. Гелий иондарын кішкентай зондқа шоғырландыруға болады және олар SEM-дегі (>1 кВ) жоғары энергиялы электрондарға қарағанда үлгімен әлдеқайда аз өзара әрекеттеседі. Сондықтан гелий ион микроскопы жақсы материалдық контраст пен үлгінің тереңдеу фокусымен бірдей немесе жоғарырақ ажыратымдылықта суреттер түсіре алады. Коммерциялық құралдар 1 нм-ден төмен ажыратымдылыққа қол жеткізе алады.
Фокус етілген иондық сәуле орнатудағы Виен фильтрі
Гаиондармен бейнелеу және ұнтақтау әрқашан үлгі бетіне жақын Ga-ның енуіне әкеледі. Үлгі беті бүрку коэффициентіне және иондық ағынға (бір уақыттағы иондар саны) пропорционалды жылдамдықпен бүрку кезінде Ga үлгіге тереңдей сіңіріледі және Ga-ның тұрақты профиліне жетеді. Бұл ену жиі жартылай өткізгіш аймағында силицийді галлиймен аморфтандыруға болатындықтан мәселе тудырады. Ga LMI көздеріне баламалы шешім табу үшін Wien сүзгі технологиясына негізделген массалық сүзгіленген бағаналар жасалды. Мұндай көздерге Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Pb және басқа элементтерді қамтамасыз ететін Au Si, Au Ge және Au Si Ge көздері жатады. Wien сүзгісінің принципі үдетілген бөлшектерге әсер ететін перпендикуляр электростатикалық және магниттік өрістердің тудырған қарама-қарсы күштерінің тепе-теңдігіне негізделген. Дұрыс масса траекториясы түзу болып қалады және массаны таңдау апертурасы арқылы өтеді, ал қалған массалар тоқтатылады. Галлийден басқа көздерді пайдалануға мүмкіндік беруден басқа, бұл бағаналар Wien сүзгісінің қасиеттерін реттеу арқылы әртүрлі түрлерге ауыса алады. Ірі иондарды кішірек контурларды жақсартудан бұрын жылдам ұнтақтау үшін пайдалануға болады. Пайдаланушылар өз үлгілерін қорытпа көздерінің элементтерімен қоректендіру мүмкіндігіне де ие. Бұл қасиет магниттік материалдар мен құрылғыларды зерттеуде үлкен қызығушылық тудырады. Хизроев пен Литвинов магниттік күш микроскопиясы (МКМ) көмегімен магниттік материалдың магниттік қасиеттерінде өзгеріссіз сақтауға болатын иондардың белгілі бір дозасы бар екенін көрсетті. FIB-ті осындай дәстүрлі емес көзқараспен пайдалану, әсіресе бүгінде көптеген жаңа технологиялардың болашағы наноөлшемді магниттік құрылғылардың прототиптерін жылдам жасау қабілетіне байланысты.