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Fokussierte Ionenstrahlen

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Der Focused Ion Beam ist ein Instrument, mit dem Materialien auf Mikro- und Nanowaagen hergestellt, gestutzt, analysiert und charakterisiert werden können. Fokussierte Ionenstrahlen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, von elektronik bis hin zur Medizin.

Fokussierte Ionenstrahlsysteme beschleunigen Flüssigmetallionen im Vakuum zu einem Strahl. Mit einer Reihe von elektromagnetischen Linsen kann der Strahl auf eine Fläche von etwa 10 Nanometern Durchmesser fokussiert werden. Wenn die Ionen aus den fokussierten Ionenstrahlen das Ziel treffen, wird ein Teil des Zielmaterials gesputtert.

Bei niedrigen Primärstrahlströmen kommt es zu sehr wenig Sputtern und der Strahl kann für die Bildgebung verwendet werden. Bei höheren Strömen werden Oberflächenatome ausgestoßen. Dies ermöglicht das standortspezifische Sputtern oder das Fräsen von Proben im größeren Maßstab.

Fokussierte Ionenstrahlsysteme erzeugen einen Strahl von flüssigen Metallionen unter Vakuum, um Material aus einer Probe zu fräsen oder ein Bild davon zu machen. Im Inneren des Focused Ion Beam System werden flüssige Metallionen, in der Regel Gallium, aus einem Filament extrahiert. Die Ionen werden durch die Anwendung von Spannung beschleunigt, und dann fokussiert eine Reihe von elektromagnetischen Linsen den Strahl auf das Ziel. Die Metallionen kollidieren mit dem Material in der Probe ähnlich wie ein Cue Ball beim Schlagen von Billardkugeln. Bei niedrigen Energien wirft ein Metallion Sekundärelektronen weg, die gesammelt werden können, um ein Bild der Zieloberfläche zu bilden. Bei höheren Energien können die Ionen genügend kinetische Energie auf Atome im Material übertragen, um ihre oberflächenbindenden Energien zu überwinden und in das Vakuum zu streuen. Dies wird als Sputtering bezeichnet.

Fokussierte Ionenstrahlen können Sputtern verwenden, um Löcher an bestimmten Stellen zu bohren, Muster auf ein Ziel zu fräsen oder sogar die Oberflächenschicht aus einer Probe zu entfernen. Durch wiederholtes und gleichmäßiges Entfernen einer Schicht und die Abbildung des Bereichs können dreidimensionale Bilder einer Probe erstellt werden. Ein Prozentsatz der vom Strahl verwendeten Metallionen wird in die Probe implantiert. Nach dem ersten Aufprall verliert ein Ionen durch eine Reihe von Kollisionen weiter Energie, bis es in der Probe anhält. Chemische Dampfabscheidung kann auch erreicht werden, indem kleine Mengen von Vorläufergasmolekülen an die Oberfläche des Materials eingesetzt und die einschneidenden Ionen verwendet werden, um eine chemische Reaktion zu erleichtern, wobei das Vorläufergas zusammenbricht und ein Teil davon auf der Oberfläche zusammen mit einigen der einschneidenden Ionen abgelagert. Aufgrund der Ansammlung von Metallionen auf oder innerhalb des Materials und der Streuung von Sekundärelektronen von der Oberfläche ist es möglich, dass sich Ladungen auf einem nicht leitenden Ziel aufbauen können.

Diese Ladungsakkumulation kann zusätzliche elektrostatische Felder erzeugen, die den Strahlweg verändern. Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, besteht darin, vor der Verwendung des Focused Ion Beam Systems nicht leitende Proben in ein leitendes Material wie Gold, Gold-Palladium oder Kohlenstoff zu beschichten. Ein Standard-Fokussierter Ionenstrahl nimmt ein Bild der Probe auf, indem er die verstreuten Sekundärelektronen aus den Ionenwechselwirkungen sammelt. Es ist auch üblich, einen Rasterelektronenmikroskopstrahl in der gleichen Kammer wie der Fokussierte Ionenstrahl einzuschließen.

Für diese kombinierten Systeme wird nach Fertigstellung des Fokussierten Ionenstrahls das Rasterelektronenmikroskop verwendet, um ein Bild der Probe zu machen. Die beiden Balken sind in einem 54-Grad-Winkel relativ zueinander angeordnet. Die Probe muss sich sowohl am Brennpunkt des Ionenstrahls als auch des Elektronenstrahls begeben. Dies wird als Coincident-Eucentric Point bezeichnet. Im nächsten Abschnitt werden wir einen fokussierten Ionenstrahl verwenden, um ein Logo auf ein Haar zu fräsen, um die bemerkenswerte Präzision der Technik zu demonstrieren.

Achten Sie darauf, Nitrilhandschuhe zu tragen, wenn Sie mit der Probe umgehen oder interne Komponenten des Fokussierten Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskops berühren.

In diesem Experiment werden wir das JoVE-Logo auf ein Haar fräsen. Zuerst kleben Sie eine Haarsträhne mit Carbonband auf einen Mikroskopstummel. Bevor das Haar gefräst werden kann, muss es mit einem leitfähigen Material beschichtet werden. Mit einem Sputter Coater beschichten Sie das Haar in einem z.B. Nanometer Gold-Palladium. Sobald das Haar beschichtet ist, können wir die Probe in den fokussierten Ionenstrahl laden. Legen Sie den Mikroskopstummel mit dem Haar in die Fokussierte Ionenstrahlladekammer.

Sobald die Probe geladen ist und die Bildgebungskammer nach unten gepumpt wird, schalten Sie den Fokussierten Ionenstrahl und die Elektronenkanone ein. Bei geringer Vergrößerung und mit Sekundärelektronen-Bildgebung richten Sie die Probe aus, um den Koinzidenz-Euzentrischen Punkt zu erreichen. Dies wird in der Regel bei einem Arbeitsabstand von fünf Millimetern und einer 54-Grad-Stufenneigung durchgeführt.

Um den Euzentrischen Punkt zu finden, passen Sie die Aufwärtsstufenbewegung in Richtung der Neigung oder entlang der m-Achse an. Es sollte kein Verlust der Feldansicht geben, wenn die Bühne von null auf 54 Grad geneigt ist. Passen Sie die Ionenstrahlbeschleunigungsspannung auf 32 Kilovolt, den Aperturstrom auf fünf Picoamperen an, um den Strahl zu fokussieren, und den Dosispegel auf zwei.

Konzentrieren Sie sich auf eine Fläche von etwa 15 Mikrometern mal 15 Mikrometern. Hier werden wir unser Logo fräsen.

Passen Sie nun den Blendenstrom auf 700 Picoamperes an, um das Logo zu fräsen. Laden Sie das zu fräsende Muster in den fokussierten Ionenstrahl. In diesem Fall wird das JoVE-Logo mit der Textfunktion erstellt. Sobald das Logo geladen ist, beginnen Sie mit dem Fräsvorgang. Je nach Komplexität des Logos dauert dieser Vorgang zwischen 15 und 30 Minuten. Sobald das Fräsen abgeschlossen ist, kann ein Bild des Haares aufgenommen werden.

Wechseln Sie vom fokussierten Ionenstrahl zum Rasterelektronenmikroskop. Ändern Sie den Winkel so, dass das Bild nun senkrecht zum SEM ist, und bilden Sie den Bereich mit einer Beschleunigungsspannung von fünf Kilovolt. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, können Sie das Bild untersuchen.

Wie Sie sehen können, hat der Focused Ion Beam das JoVE-Logo auf eine einzelne Haarsträhne gefräst.

Dieses Bild zeigt die Präzisionsfräsfunktionen von Focused Ion Beams. Die Breite des Logos beträgt ca. 30 Mikrometer x 10 Mikrometer, mit einer Pixelgröße von 30 Nanometern.

Nun, da Sie mit den Funktionen von Focused Ion Beam Systems vertraut sind, schauen wir uns einige Möglichkeiten an, wie fokussierte Ionenstrahlen verwendet werden. Dreidimensionale Bilder von Mikrostrukturen innerhalb einer Probe können durch Tomographische Bildgebung erstellt werden.

Der Fokussierte Ionenstrahl fräst eine Schicht der Probe und dann wird ein Bild von der exponierten Oberfläche aufgenommen. Dieses Bild der Strukturen in einem Teil des Rattenhirns besteht aus 1.600 Bildern mit einer Tiefenauflösung von fünf Nanometern.

Fokussierte Ionenstrahlen können ein Mittel für die Nanofertigung von Ohmschen Kontakten in geschichteten Halbleitern bieten. Durch den Einsatz eines Vorläufergases wird das Sputtern der Halbleiteroberfläche und die Ionenimplantation verhindert. Die Metallionen werden auf der Oberfläche abgelagert, um Stromwege zu liefern.

Sie haben gerade JoVeEs Einführung in fokussierte Ionenstrahlen gesehen. Ihr solltet nun die Prinzipien hinter fokussierten Ionenstrahlen und deren Interaktionen verstehen.

Sie sollten auch viele der primären Anwendungen der Focused Ion Beam-Technologie kennen, die Imaging, Fräsen, Sample-Charakterisierung und Ionenabscheidung umfassen.

Danke fürs Zuschauen.

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