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集束イオンビーム

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フォーカスイオンビームは、マイクロスケールとナノスケールで材料を製造、トリム、解析、および特徴付けるために使用できる機器です。集束イオンビームは、エレクトロニクスから医療まで幅広い分野で使用されています。

集束イオンビームシステムは、真空中の液体金属イオンを加速してビームを形成します。一連の電磁レンズを使用して、ビームは直径約10ナノメートルの領域に焦点を合わせることができる。集束イオンビームからのイオンがターゲットに当たると、ターゲット材料の一部がスパッタリングされます。

低一次ビーム電流では、スパッタリングがほとんど発生せず、ビームをイメージングに使用できます。より高い電流では、サーフェス原子が放出されます。これにより、サイト固有のスパッタリングや、サンプルのより大きなスケールミリングが可能になります。

集束イオンビームシステムは、サンプルから材料を粉砕したり、その画像を撮るために真空下で液体金属イオンのビームを作成します。集束イオンビームシステムの内部では、液体金属イオン、通常ガリウムは、フィラメントから抽出されます。イオンは電圧の印加によって加速され、その後、一連の電磁レンズがターゲットにビームを集中させます。金属イオンは、ビリヤードボールを打つときにキューボールのようにサンプル内の材料と衝突します。低エネルギーでは、金属イオンが二次電子をノックし、収集してターゲット表面の画像を形成します。より高いエネルギーでは、イオンは、表面結合エネルギーを克服し、真空中に散乱するために、材料内の原子に十分な運動エネルギーを伝達する可能性があります。これはスパッタリングと呼ばれます。

フォーカスされたイオンビームは、スパッタリングを使用して特定の部位に穴を開けたり、ターゲットにパターンをミルしたり、サンプルから表面層を取り除いたりすることができます。層と撮像領域を繰り返し均一に除去することにより、試料の3次元画像を構築することができる。ビームによって使用される金属イオンのパーセンテージがサンプルに埋め込まれる。初期衝撃の後、イオンはサンプル内部で停止するまで、一連の衝突によってエネルギーを失い続けます。化学的蒸着は、少量の前駆体ガス分子を材料の表面に展開し、衝突イオンを使用して化学反応を促進することによっても達成することができ、前駆体ガスが分解され、その一部が衝突イオンの一部と一緒に表面に堆積する。材料の上や中に金属イオンが蓄積したり、表面から二次電子が飛び散ったりすると、非導電性ターゲット上に電荷が蓄積する可能性があります。

この電荷の蓄積は、ビームパスを変更する追加の静電フィールドを作成することができます。これを防ぐ方法の1つは、集束イオンビームシステムを使用する前に、金、金パラジウム、カーボンなどの導電性材料に非導電性サンプルをコーティングすることです。標準的な集束イオンビームは、イオン相互作用から散乱二次電子を収集することによってサンプルの画像を取ります。また、集束イオンビームと同じチャンバーに走査型電子顕微鏡ビームを含むのも一般的である。

これらの組み合わせシステムでは、集束イオンビームが終了すると、走査型電子顕微鏡を使用してサンプルの画像を撮ります。2 つの梁は、互いに対して 54 度の角度で配置されます。試料は、イオンビームと電子ビームの両方の焦点にある必要があります。これは、一致ユーセントリックポイントとして知られています。次のセクションでは、フォーカスイオンビームを使用して髪にロゴをミルリングし、技術の驚くべき精度を実証します。

集束イオンビーム走査型電子顕微鏡のサンプルを取り扱ったり、内部コンポーネントに触れたりするときは、必ずニトリル手袋を着用してください。

この実験では、JoVEロゴを髪に粉砕します。まず、カーボンテープを使用して顕微鏡スタブに髪のストランドを貼り付けます。毛髪を粉砕する前に、導電性材料でコーティングする必要があります。スパッタコーターを使用して、例えば金パラジウムのナノメートルで髪をコーティングします。髪をコーティングしたら、フォーカスイオンビームにサンプルをロードできます。毛髪を含む顕微鏡スタブを集束イオンビームローディングチャンバーに入れ。

サンプルがロードされ、イメージングチャンバーがポンプダウンしたら、フォーカスイオンビームと電子ガンをオンにします。低倍率で、二次電子イメージングを使用して、一致-ユーセントリックポイントを達成するためにサンプルの向きを決める。これは通常、5 ミリメートルの作業距離と 54 度のステージチルトで実行されます。

ユーセントリックポイントを見つけるには、傾斜方向またはM軸に沿って上向きステージモーションを調整します。ステージがゼロから 54 度に傾いている場合は、フィールド ビューが失われるべきではありません。イオンビーム加速電圧を32キロボルトに、絞り電流を5ピコアンペアに調整してビームを集束し、線量レベルを2に調整します。

約15マイクロメートル×15マイクロメートルの領域に焦点を当てる。ここが私たちのロゴをミルする場所です。

今度は絞り電流を700ピコアンペアに調整してロゴをミルします。フォーカスイオンビームに粉砕するパターンをロードします。この場合、JoVE ロゴはテキスト関数を使用して作成されます。ロゴがロードされたら、フライス加工を開始します。ロゴの複雑さに応じて、このプロセスには 15 ~ 30 分かかります。フライス加工が完了すると、髪の画像を撮影できます。

集束イオンビームから走査型電子顕微鏡への変更画像が SEM に対して垂直になるように角度を変更し、5 キロボルトの加速電圧で領域をイメージします。このプロセスが完了したら、イメージを調べる準備が整いました。

ご覧のとおり、フォーカスイオンビームはJoVEロゴを髪の毛の1本のストランドに粉砕しました。

この画像は、フォーカスイオンビームの精密ミリング機能を示しています。ロゴの幅は約30マイクロメートル×10マイクロメートル、ピクセルサイズは30ナノメートル。

フォーカスイオンビームシステムの機能を理解したので、フォーカスイオンビームの使用方法をいくつか見てみましょう。サンプル内の微細構造の3次元画像は、断層画像画像を介して作成することができます。

フォーカスイオンビームは、サンプルの層をミル化し、露出した表面の画像を撮影します。ラット脳の一部の構造のこの画像は、5ナノメートルの深さ解像度で、1,600枚の画像で構成されています。

集束イオンビームは、層状半導体におけるオーミックコンタクトのナノ加工のための手段を提供することができます。前駆体ガスの使用によって、半導体表面およびイオン注入のスパッタリングは防止される。金属イオンは、現在の経路を提供するために表面に堆積されます。

ジョヴェの「集中イオンビーム入門」をご覧いただいたばかりです。フォーカスイオンビームとその相互作用の背後にある原則を理解する必要があります。

また、イメージング、ミリング、サンプル特性評価、イオン堆積など、集束イオンビーム技術の主要なアプリケーションの多くに注意する必要があります。

見てくれてありがとう。

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