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Materials Engineering

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Overview

资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

随着电子显微镜在研究实验室中变得越来越复杂和广泛,引入其功能就变得更加必要。聚焦式电离束 (FIB) 是一种仪器,可用于在纳米电子到医学等广泛领域制造、修剪、分析和表征纳米尺度上的材料。FIB 系统可被视为一束离子,可用于在微尺度和纳米尺度上铣削(溅射)、沉积和图像材料。FIB 的电柱通常与扫描电子显微镜 (SEM) 的电子柱集成。

本实验的目的是介绍聚焦子束技术中的技术,并展示如何使用这些仪器来制造与人体中最小的膜一样小的结构。

Principles

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FIB 系统使用一束离子来铣削、沉积和成像微和纳米级样品。光束形成于高真空环境中,其中选择性电位用于电离和从液态金属电源 (LMIS) 中提取镉。在传统的光学显微镜中,这种光束可以通过类似于光的电磁透镜定向和聚焦。然后,光束栅格覆盖样品上的一个区域。对于不同类型的光源,电子束可用于无损成像和表征,而无需溅射样品表面,就像扫描电子显微镜 (SEM) 一样。SEM 和 FIB 的结合为非常创新的力束铣削和表征铺平了道路。此外,通过结合电子和电束操作来执行断层扫描(即用电束铣削切片、带电子束的图像和重复),可以获得三维信息。通常,导电样品是FIB和SEM的理想选择,因为它们不收集电荷,从而影响成像、铣削和沉积的途径。然而,非导电样品(如大多数聚合物和生物样品)可以使用电荷校正、导电涂层、可变压力设置和低能量光束设置进行探测。了解 ion 光束-固体相互作用的基础知识可以提高使用 FIB 系统实现最佳结果的能力。离子束-固体相互作用的力学包括以下事件:聚焦光束的主要离子轰击表面、溅射材料、喷射次级电子和植入自身。

由于目标的物理溅射,铣削发生。为了理解溅射过程,必须探索气梁和目标之间的相互作用。溅射是一系列弹性碰撞的结果,其中动量从入射离子转移到称为级联区域区域内的目标原子。此过程类似于当球击中目标球时发生的情况。如果目标表面的原子接收的动能超过其表面结合能 (SBE),则其表面的原子可能会溅射。表面结合能量是从体积晶格中去除表面原子所需的能量。这些弹出的原子的一部分可能被离子化。由于子爆炸,也可能发生无弹性相互作用。这些相互作用产生声子、金属中的质子和次生电子(SE)。标准FIB使用二次电子来生成图像。沉积还可以通过在材料表面部署少量前体气体分子,并使用冲击离子促进将材料沉积到表面的化学反应来实现。然而,在这项研究中,铣削和成像是唯一涵盖的机制。

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Procedure

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1. 从300nm厚的硅氧化物膜中制造穿孔过滤器,其规模与肾脏内皮细胞质相当

  1. 将制备的膜装入 FIB 室。膜通常由专业人员(在创建惠斯通桥时)制备,可在半导体制造现场获取。要自己准备一个,必须使用光刻。这个过程的细节可以在JoVE网站上的"生物工程集"的光刻视频中看到。注:在处理样品时或与 FIB/SEM 的任何内部组件接触时,请务必佩戴硝化手套。环境必须保持非常清洁,没有任何皮肤油。
  2. 打开聚焦的电束和电子枪,调整样品以达到重合中心点。这是感兴趣区域(膜)位于电子和离子线中的点,倾斜角度范围为 0-54 度。
  1. 将 FIB 的电束电流和加速电压调整到 30kV 和 100pA,并聚焦于靠近要铣削的区域。通过直径约 50nm 的 FIB 铣削程序绘制一个圆矩阵,中心到中心的距离为 150nm(参见图 1)。
  2. 以 5kV 的加速电压更改为电子束并成像区域。

Figure 1
1:FIB在氧化硅膜上铣削孔,形成微粒过滤器。

2. 在头发上铣削徽标

  1. 使用碳胶带将发丝放在显微镜存根上
  2. 使用溅射涂层涂抹头发链的金色/碳涂层。此工具将样品涂在几纳米的导电材料中,以便用最少的充电伪影进行成像/溅射。
  3. 打开聚焦的电离束和电子枪,并调整到重合中心点。
  4. 分别使用 100pA 孔径将电束电流和加速电压调节到 30kV,并聚焦在靠近要铣削的区域约 15um x 15um 的区域内。
  5. 将要铣削的图案/徽标装入位图,并调整光束电流和加速电压,然后开始铣削。
  6. 更改为电子束并成像区域。如图2所示。

Figure 2
图2:"快乐假期"碾磨在蜘蛛网与FIB。

聚焦 Ion 光束是一种可用于在微型和纳米尺度上制造、修剪、分析和表征材料的仪器。聚焦 Ion 光束广泛应用于电子、医药等各个领域。

聚焦离子束系统在真空中加速液态金属离子形成光束。使用一系列电磁透镜,光束可以聚焦到直径约10纳米的区域内。当聚焦离子束的离子击中目标时,一些目标材料溅射。

在低初级光束电流下,很少发生溅射,光束可用于成像。在较高的电流时,表面原子被弹出。这允许对样品进行特定于站点的溅射或更大的规模铣削。

聚焦离子束系统在真空下产生一束液态金属离子,以便从样品中研磨材料或拍摄其图像。在聚焦离子束系统内,液态金属离子(通常是高铝)是从灯丝中提取的。离子通过电压的应用加速,然后一系列电磁透镜将光束聚焦在目标上。金属离子与样品中的材料碰撞,就像击打台球时的提示球一样。在低能量下,金属电子会敲开二次电子,二次电子可以收集形成目标表面的图像。在更高的能量下,离子可能向材料中的原子转移足够的动能,以克服其表面结合能量并分散到真空中。这称为溅射。

聚焦的 Ion 梁可以使用溅射在特定地点钻孔,将图案磨入目标,甚至从样品中移除表面层。通过重复和均匀地移除图层和成像区域,可以构造样本的三维图像。光束使用的金属离子的百分比被植入样品中。初始撞击后,电子通过一系列碰撞继续失去能量,直到在样品内停止。化学气相沉积也可以通过在材料表面部署少量前体气体分子,并使用冲击离子促进化学反应来实现,其中前体气体分解,其中一部分是沉积在表面以及一些冲击离子。由于金属离子在材料上或材料内积聚,以及次级电子从表面散射,电荷有可能在非导电目标上积聚。

这种电荷的积累会产生额外的静电场,从而改变光束路径。防止这种情况的一种方法是在使用聚焦 Ion 光束系统之前,将非导电样品涂覆在导电材料(如金、金铂或碳)中。标准聚焦型电离束通过从电子相互作用中收集分散的二次电子来拍摄样品的图像。在聚焦的Ion光束的同一腔中,也通常将扫描电子显微镜光束包括在内。

对于这些组合系统,一旦聚焦 Ion 光束完成,扫描电子显微镜用于拍摄样品的图像。两个梁的排列角度相对为 54 度。样品必须位于电束和电子束的焦点处。这称为重合-中心点。在下一节中,我们将使用聚焦的 Ion 光束将徽标磨在头发上,以展示该技术的出色精度。

处理样品或触摸聚焦式 Ion 光束扫描电子显微镜的内部组件时,请务必戴上硝基手套。

在这个实验中,我们将JoVE标志磨在头发上。首先,使用碳胶带将一缕头发粘在显微镜根上。在铣削头发之前,必须将其涂覆在导电材料中。使用溅射涂层,将头发涂在金铂的纳米中。一旦头发被涂覆,我们可以将样品加载到聚焦的Ion光束中。将包含头发的显微镜存根放入聚焦的 Ion 光束加载室。

一旦样品加载,成像室被泵下来,打开聚焦的Ion光束和电子枪。在低放大倍率下,并使用二次电子成像,定位样品以达到重合-中心点。这通常在 5 毫米工作距离和 54 度舞台倾斜处执行。

要查找中心点,请沿倾斜方向或沿 m 轴调整向上舞台运动。当舞台从零度倾斜到 54 度时,不应丢失现场视图。将 Ion 光束加速电压调整为 32 千伏,将孔径电流调整为 5 个皮安,以便聚焦光束,将剂量电平调整为 2。

专注于约 15 微米乘 15 微米的区域。这是我们将磨我们的标志。

现在,将 Aperture 电流调整为 700 皮孔,以研磨徽标。将要铣削的阵列加载到聚焦的 Ion 梁中。在这种情况下,使用文本函数创建 JoVE 徽标。装载徽标后,开始铣削过程。根据徽标的复杂性,此过程需要 15 到 30 分钟。铣削完成后,可以拍摄头发的图像。

从聚焦的电离束到扫描电子显微镜的变化。更改角度,使图像现在垂直于 SEM,并在 5 千伏的加速电压下对区域进行成像。此过程完成后,即可检查映像。

正如您所看到的,聚焦的 Ion 光束将 JoVE 徽标磨碎到一根头发上。

此图像演示了聚焦 Ion 光束的精密铣削能力。徽标的宽度约为 30 微米 x 10 微米,像素大小为 30 纳米。

现在,您已经熟悉了聚焦 Ion 光束系统的功能,让我们来看看使用聚焦 Ion 光束的一些方法。可通过断层成像创建样本中微结构的三维图像。

聚焦的 Ion 光束铣刀为样品层,然后拍摄暴露表面的图像。这张老鼠大脑部分结构的图像由1600张图像组成,深度分辨率为5纳米。

聚焦的Ion光束可以为分层半导体中欧米接触的纳米制造提供一种手段。通过使用前体气体,防止半导体表面溅射和电子植入。金属离子沉积在表面以提供电流通路。

您刚刚观看了 JoVE 的聚焦子梁简介。您现在应该了解聚焦子梁及其相互作用背后的原则。

您还应了解聚焦 Ion 光束技术的许多主要应用,包括成像、铣削、样品表征和 Ion 沉积。

谢谢你的收看。

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Applications and Summary

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该实验演示了如何使用电子显微镜和聚焦电束使研究人员能够操纵和制造微尺度结构。聚焦的孔束材料相互作用的分子特性为FIB提供了在微尺度和纳米尺度上操纵材料的独特能力。通过仔细考虑光束如何与材料相互作用,减少充电伪影,并设置系统以获得最佳铣削质量,研究人员可以产生生物和非生物材料的独特模式,在氧化硅膜,性能就像它的解剖对应物。FIB在这个研究领域显示出很大的潜力,但是技术和材料应该改进很多,以找到它们进入生物体的途径。这些仪器和技术以及组织工程技术可以彻底改变我们在不久的将来处理器官的方式。

本实验侧重于介绍聚焦的ion光束(FIB)系统,并演示它们能做什么。他们的应用很广泛。这里的练习强调了生物学的一些应用,从微米大小的横截面到骨骼和组织检查,以及器官小部分的三维重建。需要注意的是,FIB不仅仅是组织工程的工具。它在微电子学、地质研究、增材制造、喷涂涂料、透射电子显微镜(TEM)样品制备和一般材料特性方面有着悠久的历史。这些主题中的示例非常广泛,可在任何与 FIB 相关的文献中找到。

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Transcript

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