Fasci ionici focalizzati

Il fascio ionico focalizzato è uno strumento che può essere utilizzato per fabbricare, tagliare, analizzare e caratterizzare materiali su micro e nanoscala. I fasci ionici focalizzati sono utilizzati in un'ampia varietà di campi, dall'elettronica alla medicina.

I sistemi a fascio ionico focalizzato accelerano gli ioni di metallo liquido nel vuoto per formare un fascio. Utilizzando una serie di lenti elettromagnetiche, il fascio può essere focalizzato su un'area di circa 10 nanometri di diametro. Quando gli ioni dei fasci ionici focalizzati colpiscono il bersaglio, parte del materiale bersaglio viene spruzzato.

A basse correnti del fascio primario, si verifica pochissimo sputtering e il raggio può essere utilizzato per l'imaging. A correnti più elevate, gli atomi di superficie vengono espulsi. Ciò consente lo sputtering sito-specifico o la macinazione su larga scala dei campioni.

I sistemi a fascio ionico focalizzato creano un fascio di ioni di metallo liquido sotto vuoto per macinare materiale da un campione o scattare un'immagine di esso. All'interno del sistema a fascio ionico focalizzato, gli ioni di metallo liquido, solitamente gallio, vengono estratti da un filamento. Gli ioni vengono accelerati attraverso l'applicazione di tensione, quindi una serie di lenti elettromagnetiche focalizza il raggio sul bersaglio. Gli ioni metallici si scontrano con il materiale nel campione in modo molto simile a una bilia battente quando colpisce le palle da biliardo. A basse energie, uno ione metallico respinge gli elettroni secondari, che possono essere raccolti per formare un'immagine della superficie bersaglio. A energie più elevate, gli ioni possono trasferire abbastanza energia cinetica agli atomi nel materiale per superare le loro energie di legame superficiale e disperdersi nel vuoto. Questo è noto come Sputtering.

I fasci ionici focalizzati possono utilizzare lo sputtering per praticare fori in siti specifici, fresare modelli su un bersaglio o persino rimuovere lo strato superficiale da un campione. Rimuovendo ripetutamente e uniformemente uno strato e l'imaging della regione, è possibile costruire immagini tridimensionali di un campione. Una percentuale degli ioni metallici utilizzati dalla trave viene impiantata nel campione. Dopo l'impatto iniziale, uno ione continua a perdere energia attraverso una serie di collisioni fino a quando non si ferma all'interno del campione. La deposizione chimica da vapore può essere ottenuta anche dispiegando piccole quantità di molecole di gas precursore sulla superficie del materiale e utilizzando gli ioni impattanti per facilitare una reazione chimica, in cui il gas precursore si rompe e una parte di esso si deposita sulla superficie insieme ad alcuni degli ioni impattanti. A causa dell'accumulo di ioni metallici sopra o all'interno del materiale e della dispersione di elettroni secondari dalla superficie, è possibile che la carica possa accumularsi su un bersaglio non conduttore.

Questo accumulo di carica può creare ulteriori campi elettrostatici che alterano il percorso del fascio. Un modo per evitare che ciò accada consiste nel rivestire i campioni non conduttori con un materiale conduttore come l'oro, l'oro-palladio o il carbonio, prima di utilizzare il sistema a fascio ionico focalizzato. Un fascio ionico focalizzato standard acquisisce un'immagine del campione raccogliendo gli elettroni secondari diffusi dalle interazioni ioniche. È anche comune includere un fascio di microscopio elettronico a scansione nella stessa camera del fascio di ioni focalizzati.

Per questi sistemi combinati, una volta terminato il fascio ionico focalizzato, il microscopio elettronico a scansione viene utilizzato per acquisire un'immagine del campione. I due raggi sono disposti con un angolo di 54 gradi l'uno rispetto all'altro. Il campione deve trovarsi nel punto focale sia del fascio ionico che del fascio di elettroni. Questo è noto come il punto coincidente-eucentrico. Nella prossima sezione, utilizzeremo un fascio ionico focalizzato per fresare un logo su un capello al fine di dimostrare la notevole precisione della tecnica.

Assicurarsi di indossare guanti in nitrile quando si maneggia il campione o si toccano i componenti interni del microscopio elettronico a scansione a fascio ionico focalizzato.

In questo esperimento, macineremo il logo JoVE su un capello. Per prima cosa, incolla una ciocca di capelli su un mozzicone da microscopio usando del nastro di carbonio. Prima che i capelli possano essere fresati, devono essere rivestiti con un materiale conduttivo. Utilizzando uno Sputter Coater, rivestire i capelli con un nanometro, ad esempio, di oro-palladio. Una volta che i capelli sono rivestiti, possiamo caricare il campione nel fascio ionico focalizzato. Posizionare il tronchetto del microscopio contenente i capelli nella camera di caricamento del fascio ionico focalizzato.

Una volta caricato il campione e svuotata la camera di imaging, accendere il fascio ionico focalizzato e la pistola elettronica. A basso ingrandimento e utilizzando l'imaging elettronico secondario, orientare il campione per ottenere il punto coincidente-eucentrico. Questo viene in genere eseguito a una distanza di lavoro di cinque millimetri e un'inclinazione del palco di 54 gradi.

Per trovare il punto eucentrico, regolare il movimento del tavolino verso l'alto nella direzione dell'inclinazione o lungo l'asse m. Non dovrebbe verificarsi alcuna perdita di campo visivo quando lo stage è inclinato da zero a 54 gradi. Regolare la tensione di accelerazione del fascio ionico a 32 kilovolt, la corrente di apertura a cinque picoampere per focalizzare il raggio e il livello di dose a due.

Concentrati su un'area di circa 15 micrometri per 15 micrometri. È qui che macineremo il nostro logo.

Ora regola la corrente di apertura a 700 picoampere per fresare il logo. Caricare il modello da fresare nel fascio ionico focalizzato. In questo caso, il logo JoVE viene creato utilizzando la funzione di testo. Una volta caricato il logo, inizia il processo di fresatura. A seconda della complessità del logo, questo processo richiederà tra i 15 e i 30 minuti. Una volta completata la fresatura, è possibile scattare un'immagine dei capelli.

Passa dal fascio ionico focalizzato al microscopio elettronico a scansione. Modificare l'angolo in modo che l'immagine sia ora perpendicolare al SEM e visualizzare l'area a una tensione di accelerazione di cinque kilovolt. Al termine di questo processo, è possibile esaminare l'immagine.

Come puoi vedere, il Focused Ion Beam ha fresato il logo JoVE su una singola ciocca di capelli.

Questa immagine dimostra le capacità di fresatura di precisione dei fasci ionici focalizzati. La larghezza del logo è di circa 30 micrometri per 10 micrometri, con una dimensione dei pixel di 30 nanometri.

Ora che hai familiarità con le capacità dei sistemi a fascio ionico focalizzato, diamo un'occhiata ad alcuni modi in cui vengono utilizzati i fasci ionici focalizzati. Le immagini tridimensionali delle microstrutture all'interno di un campione possono essere create attraverso l'imaging tomografico.

Il fascio ionico focalizzato macina uno strato del campione e quindi viene scattata un'immagine della superficie esposta. Questa immagine delle strutture in una sezione del cervello di ratto è composta da 1.600 immagini, con una risoluzione di profondità di cinque nanometri.

I fasci ionici focalizzati possono fornire un mezzo per la nanofabbricazione di contatti ohmici in semiconduttori stratificati. Attraverso l'uso di un gas precursore, si impedisce lo sputtering della superficie del semiconduttore e l'impianto ionico. Gli ioni metallici vengono depositati sulla superficie per fornire percorsi di corrente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai fasci ionici focalizzati. Ora dovresti capire i principi alla base dei fasci ionici focalizzati e le loro interazioni.

Dovresti anche essere a conoscenza di molte delle applicazioni principali della tecnologia a fascio ionico focalizzato, che includono l'imaging, la fresatura, la caratterizzazione del campione e la deposizione ionica.

Grazie per l'attenzione.