ISSN 0351-9716 TEHNOLOGIJA FOKUSIRANEGA IONSKEGA CURKA (FIB) 17, 2000 Maribor Franc Zupani~ Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojni{tvo, Smetanova POVZETEK Fokusirani ionski curek (FIB) ima premer od 5 nm do nekaj mikrometrov. Ko ga uporabljamo kot mikroskop, je njegova lo~ljivostnekoliko slab{a, kotje lo~ljivostvrsti~nega elektronskega mikroskopa, vendar ima bistveno bolj{i orientacijski kontrast. Z njim lahko odvzemamo ali nana{amo material na izbranih mestih z natan~nostjo vsaj 100 nm. Ta zna~ilnost omogo~a, da se uporablja v najrazli~nej{e namene, od popravila elektronskih vezij, preko 3D-mikroskopije, do izdelave najraz-li~nej{ih 3D-objektov v nano- in mikrometrskem podro~ju. Kombinacija fokusiranega ionskega curka in vrsti~nega elektronskega mikroskopa bistveno izbolj{a zmogljivosti obeh. Technology of focussed ion beam (FIB) ABSTRACT Focussed ion beam has a diameter between 5 nm and a few micrometers. Its resolution is slightly worse than that of a scanning electron microscope; however, it possesses much better orientation contrast. It allows site-specific sputtering and deposition of materials with precision of at least 100 nm. This ability allows FIB application in different fields: repairing of electronic circuits, 3D-microscopy, 3D-fabrication of objects in nano- and micro regions. The combination of a scanning electron microscope and a FIB provides enhanced capabilities of both. 1 UVOD @elja po izdelavi ~im manj{ih komponentin njihova natan~na postavitev v ~im manj{a podro~ja je ena izmed gonilnih sil pri razvoju novih tehnologij. Miniaturizacija komponent je bila zna~ilna `e za obdobje mikroelektronike, z razvojem nanomaterialov in nanotehnologij pa je {e pridobila na pomenu. Z zmanj{anjem velikost sestavnih delov postajajo vedno bolj pomembna tudi orodja, s katerimi jih lahko izdelujemo, obdelujemo, preiskujemo, popravljamo in nadgrajujemo. Eno izmed tak{nih orodij je fokusirani ionski curek, ki ga navadno imenujemo s kratico FIB (iz angl. Focussed Ion Beam). Prvo tak{no napravo, ki je imela teko~ekovinski izvir ionov, je uspelo izdelati Selingerju in sodelavcem (1) leta 1979. Pokazali so, da ima ionski curek veliko intenziteto in da ga je mogo~e fokusirati. Od takrat naprej poteka hiter razvoj teh naprav, mo~no pa se ve~a tudi {tevilo podro~ij, na katerih se uporablja. Fokusirani ionski curek, ki ima premer od 5 nm do nekaj mikrometrov, ima tri glavne naloge: • odstranjevanje materiala • nana{anje materiala • mikroskopiranje Majhen premer ionskega curka omogo~a, da lahko z veliko natan~nostjo odstranjujemo material z izbra- nih mest. To lastnost lahko koristno uporabimo pri mikroobdelavi materialov, izdelavi pre~nih prerezov, raziskavi napak na povr{ini oziroma tik pod njo ipd. Ionski curek lahko povzro~i razkroj plinastih molekul, ki se adsorbirajo na povr{ino materiala. Pri tem lahko nastanejo na mestu delovanja ionskega curka izparljive snovi, ki bistveno pove~ajo hitrost odstranjevanja materiala, ali pa neizparljivi nanosi. Slednji postopek se imenuje nana{anje prevlek z ionskim curkom ali na kratko FIB CVD. Fokusirani ionski curek lahko uporabljamo tudi kot mikroskop. Za upodobitev navadno uporabimo sekundarne elektrone, ki jih inducira ionski curek, lahko pa tudi sekundarne ione. Lo~ljivost je nekoliko manj{a kot pri vrsti~nem elektronskem mikroskopu (med 5 nm in 10 nm), mnogo bolje pa lo~i med seboj kristalna zrna, ki se razlikujejo v orientaciji (orientacijski kontrast). V sistemih z dvojnim elektronskim in ionskim curkom (slika 1) lahko primerjamo mikro-posnetke, nastale na razli~ne na~ine, oziroma kar je {e bolj{e: z elektroni opazujemo u~inek ionskega curka neposredno med delom. O fokusiranem ionskem curku obstajata dve kakovostni monografiji(2,3), ki sta bili izdani v zadnjih letih, in ju zainteresiranim bralcem toplo priporo~amo. Kolikor je znano, v sloven{~ini o FIB-u {e ni nobenega ~lanka, zato `elimo v tem prispevku najprej prikazati zna~ilnosti zgradbe FIB-a, vrste interakcij ionov s snovjo ter v najve~ji meri mo`nosti uporabe fokusiranega ionskega curka. 2 ZGRADBA NAPRAVE FIB Osnovna naprava FIB je zgrajena iz vakuumskega sistema in komore, teko~ekovinskega izvira elektronov, ionske kolone, detektorjev, sistema za dovod plinov za nana{anje in ra~unalnika, ki krmili celotno napravo. Njegova zgradba je zelo podobna vrsti~nemu elektronskemu mikroskopu. FIB je lahko samostojna naprava, pogosto pa ga vgrajujejo v druge analiti~ne naprave, kot so vrsti~ni elektronski mikroskop (SEM), Augerjev elektronski spektroskop (AES), presevni elektronski mikroskop (TEM) in masni spektrometer sekundarnih ionov (SIMS). Najpogostej{i je sistem z dvojnim elektronskim in ionskim curkom FIB-SEM (slika 1). Osnova FIB-a je teko~ekovinski izvir ionov (v angl. liquid metal ion source, LMIS). Ta lahko zagotavlja ionski curek s premerom od 5 nm do nekaj mikrometrov. Na sliki 3 je shemati~en prikaz ionskega 4 VAKUUMIST 26/4 (2006) ISSN 0351-9716 Slika 1: Naprava z dvojnim elektronskim curkom Quanta 3D, FEI Company, ki je instalirana v Univerzitetnem centru za elektronsko mikroskopijo Fakultete za strojni{tvo Univerze v Mariboru izvira. Volframova igla, ki jo lahko segrevamo, je povezana z rezervoarjem kovine, ki jo ioniziramo. V komercialnih napravah je najbolj raz{irjen element galij. Razlogov za to je ve~: • Galij ima nizko tali{~e (Tt = 29,8 °C), zato je mo`nostza reakcijo z volframom in za medsebojno onesna`enje teko~e kovine in podlage zanemarljiva. • Galij ima majhno topnost v volframu, volfram pa v galiju. • Galij ima pri temperaturi tali{~a zelo nizek parni tlak, zato ga lahko uporabljamo v ~isti obliki (ne kot zlitino) in zato so njegove izgube zaradi izpa-revanja majhne. Slednje zagotavlja dolgotrajno delovanje (okoli 380 µAh/mg). Slika 2: Notranjost komore VAKUUMIST 26/4 (2006) • Galij ima zelo majhno povr{insko prosto energijo, zato z lahkoto in dobro omo~i volframovo podlago. • Galij ima veliko povr{insko napetost, kar omo-go~a stabilen nastanek ionov pod vplivom visoke elektri~ne napetosti. • Galij zagotavlja veliko kotno intenziteto ionov in majhen raztros energije. Volframova igla (podlaga) ima valjasto obliko, ki se kon~a v obliki sto`ca s polovi~nim notranjim kotom okoli 49°, polmer vrha sto`ca je okoli 10 µm. Med delovanjem teko~i galij omo~i podlago, visoka napetost nasprotne elektrode (ekstrakcijske elektrode) pa povzro~i, da teko~i galij na konici igle oblikuje tako imenovani Taylorjev sto`ec, ki pomeni ravnovesno stanje med elektri~nim poljem in povr{insko napetostjo galija. Zunanji kot Taylorjevega sto`ca je 130,7°, njegova povr{ina pa je ekvipotencialna ploskev. V mo~nem elektri~nem polju jakosti okoli 1010 V/m atomi galija izparevajo z vrha Taylorjevega sto`ca (poljsko izparevanje) in se ionizirajo. Stabilno delovanje izvira se dose`e, ~e je emisijski tok ionov 1–3 µA, gostota toka pa je ? 108 A/cm2. Izparjeni atomi galija se nadomestijo s tokom galija iz rezervoarja do konice Taylorjevega sto`ca. Pri stabilnem delovanju izvira so v ionskem curku prete`no le enkrat ionizirani ioni. Ionski izvir vedno deluje s konstantnim tokom. Pri delu potrebujemo razli~ne tokove; od 1 pA pri izdelavi mikroposnetkov do nekaj deset nanoamperov za grobo odvzemanje materiala. Dose`emo jih z ustreznimi zaslonkami, ki prepu{~ajo le `elen ionski tok. Ionski curek usmerjamo in premikamo po povr{ini vzorca z oktopolnimi le~ami, s katerimi lahko ionski curek tudi fokusiramo in odpravljamo astigmatizem. V odvisnosti od ionskega toka je premer ionskega curka na povr{ini vzorca med 5 nm in nekaj mikrometri. Slika 3: Shema teko~ekovinskega izvira ionov 5 ISSN 0351-9716 3 INTERAKCIJA IONSKEGA CURKA S TRDNINO Zmo`nost odstranjevanja in nana{anja materiala ter upodabljanja s fokusiranim ionskim curkom FIB je odvisna od narave interakcij ionski curek-trdnina. Nekatere mo`ne interakcije so prikazane na sliki 4. Odstranjevanje materiala je rezultat fizikalnega raz-pr{evanja tar~e. Razpr{evanje je posledica ve~ elasti~nih trkov, pri katerih se energija vpadnega iona prenese na atome znotraj kaskade izbitih atomov. Atom na povr{ini lahko postane razpr{eni atom, ~e prejme kineti~no energijo, ki je ve~ja od povr{inske vezavne energije materiala tar~e. Del razpr{enih atomov se lahko ionizira. Uporabimo jih lahko za upodobitev s sekundarnimi ioni ali pa za masno analizo. Poleg elasti~nih trkov se pojavljajo tudi neelasti~ni, pri katerih nastanejo v tar~i fononi, plazmoni in tudi sekundarni elektroni, ki jih uporabljamo za upodobitev. Slednje lahko imenujemo sekundarni elektroni, inducirani z ionskim curkom. Pri interakciji ionskega curka s trdnino se zmanj-{uje kineti~na energija ionov, ki se na koncu ustavijo v trdnini; torej se vanjo implantirajo. Simulacija Monte Carlo (SRIM)(4), ki je prosto dostopna na internetu, omogo~a napoved interakcij ionov s snovjo. Simulacija omogo~a izra~un razpr{itvenih koeficientov za poljubne materiale, ki imajo amorfno zgradbo. Raz-pr{itveni koeficient je najmanj{i, ~e je ionski curek pravokoten na povr{ino (? = 0°), najve~ji pa je pri kotu ? ? 80°. Za ve~ino elementov je razpr{itveni koeficientpri ? = 0° med 1 in 10 atomi/ion. Pri kristalnih snoveh se pojavi kanalski pojav. ^e je smer ionskega curka vzporedna smeri z majhnimi Millerjevi indeksi kristala, je globina penetracije mnogo ve~ja, kotjo napove simulacija Monte Carlo amorfne tar~e. V teh smereh bosta mnogo manj{a tako razpr{itveni koeficient kot tudi {tevilo nastalih sekundarnih elektronov. Hitrost odstranjevanja materiala lahko pove~amo v nekaterih primerih tudi za deset- in ve~krat z uvajanjem reaktivnih plinov, kot so Slika 4: Mo`ne interakcije ionskega curka s trdnino 6 Cl2, Br2, I2, XeF2 in H2O, ki z atomi tar~e na mestih, kamor je usmerjen ionski curek, tvorijo izparljive reakcijske produkte. Fokusirani ionski curek lahko uporabljamo tudi za nana{anje materiala. Ionski curek lahko povzro~i razkroj plinastih molekul, ki se adsorbirajo na povr{ino materiala. Pri tem nastane na povr{ini neizparljiva plast. Postopek se imenuje nana{anje prevlek z ionskim curkom ali na kratko FIB CVD. Najpogostej{i kovini, ki ju nana{amo, sta Pt in W. Plina, ki se uporabljata, sta organokovinska spojina C7H17Ptin volframov karbonil W(CO)6. Nanosa nista ~isti kovini, temve~ vsebujeta {e ogljik, galij in kisik, vendar imata kljub temu sorazmerno majhno elek-tri~no upornost, da se lahko uporabljata za elektri~ne kontakte v elektronskih vezjih. Uporabljata se tudi za za{~ito povr{in na mestih, kjer odstranjujemo material z ionskim curkom, ter omogo~ata natan~nej{e in bolj gladke reze. Prekurzor za ogljik je fenantren (C14H10), ki je zelo primeren za ustvarjanje 3D-objektov, ki imajo velikostv nano- in mikrometrskem obmo~ju. To je mo`no tudi s platino, vendar je hitrost nana{anja manj{a, velikost objektov pa ne more biti tako majhna kotpri ogljiku. Nana{amo lahko tudi spojine, npr. v elektronskih vezjih izolator SiO2. 4 PRIMERI UPORABE FIB lahko uporabljamo za najrazli~nej{e naloge. V nadaljevanju bomo opisali predvsem take, ki jih izvajamo tudi sami. 4.1 Mikroobdelava Pri mikroobdelavi s fokusiranim ionskim curkom odstranjujemo material na to~no dolo~enih mestih, da bi izdelali razli~ne izvrtine v materialu, mikroorodja ipd. PrednostFIB-a je, da lahko izdelamo 3D-oblike, slabost proti drugim alternativnim metodam pa je po~asnost, saj je hitrost odvzemanja materiala majhna (red velikosti 1 µm3/min). Slika 5 prikazuje izvrtine v orodno jeklo, ki vsebuje karbide. V globljih luknjah je pere~ problem redepozicija, ki jo lahko zmanj{amo z uporabo reaktivnih plinov. 4.2 Ionski mikroposnetki Pri mikroskopiranju se moramo zavedati, da ionski curek pri vsakem prehodu raziskovane povr{ine spreminja material in ustvarja artefakte (zna~ilnosti, ki jih vzorec v resnici ni imel). Nastanek kontrasta s sekundarnimi elektroni ali sekundarnimi ioni, ki jih inducira ionski curek, je razli~en od tistega v elektronskem mikroskopu, zato nam dajejo mikroposnetki druga~ne informacije. Na mikroposnetkih izvira kontrast iz: VAKUUMIST 26/4 (2006) ISSN 0351-9716 Slika 5: Izdelava lukenj v orodno jeklo, ki vsebuje karbide. Pogled od zgoraj z ioni, b) pogled od strani z elektroni po pre~nem rezanju. Zaradi bolj{ega kontrasta so luknje napolnjene s platino. • topografskih zna~ilnosti (topografski kontrast) • neenakih razpr{itvenih koeficientov razli~nih faz (fazni kontrast) in • razlik v kristalni orientaciji kristalnih zrn z enako kemi~no sestavo in kristalno zgradbo (orientacijski kontrast) Na neravnih vzorcih nastane mnogo ve~ sekundarnih elektronov na povr{inah, ki so bolj nagnjene glede na smer ionskega curka. V ve~faznih materialih so svetlej{e faze, ki imajo ve~ji razpr{itveni koeficient, medtem ko se v enofaznih polikristalnih gradivih pojavi kontrast zaradi razlike v orientaciji kristalnih zrn glede na smer ionskega curka – kanalski pojav. Zrna, pri katerih je smer ionskega curka vzporedna s smerjo z majhnimi Millerjevimi indeksi, so temnej{a. Na sliki 6 c so vidni vsi na{teti kontrasti. 4.3 Pre~ni rezi (3D-mikroskopija) Izredno mo~no orodje FIB-a je izdelava pre~nih rezov. Z njimi odkrijemo povr{ino materiala, ki je druga~e skrito~em, saj je pod zunanjo ali metalo-grafsko pripravljeno povr{ino (slika 6 a). Ta metoda je zelo primerna za karakterizacijo napak, ki so na povr-{ini ali tik pod njo. Primerna je tudi za karakterizacijo mikrostrukture tik pod povr{ino (primer so trakovi, nastali pri "melt spinningu" ali prahovi), ki jo z drugimi metodami te`ko ugotovimo. Pri nekaterih materialih je smiselno pred rezanjem za{~ititi povr{ino s prevleko iz platine. Slika 6 b prikazuje prevleko galvansko naneseno plast na osnovni zlitini. Kontrast v galvanski prevleki je orientacijski, saj se zelo dobro razlo~ijo med seboj enakoosna kristalna zrna, ki vsebujejo {tevilne dvoj~i~ne meje. V osnovni zlitini lahko razlo~imo razli~ne faze zaradi ustreznega faznega kontrasta. Na prerezani povr{ini lahko izvedemo tudi EDS-analizo. Opazen je tudi topografski kontrast, Slika 6: Polo`aj vzorca pri pre~nem rezanju (a) in pri opazovanju z ioni (b); dekorativna prevleka rodija na srebrovi zlitini (c) VAKUUMIST 26/4 (2006) 7 ISSN 0351-9716 Slika 7: Prosta povr{ina zlitine Al-Mn-Be, ulite v bakreno kokilo a) pred ionskim jedkanjem in b) po njem (tok 0,3 nA, napetost 30 kV, ~as 10 min) saj je zgornja (prosta) povr{ina svetlej{a kot povr{ina pre~nega reza. 4.4 Ionsko jedkanje Pri pripravi kovinskih materialov navadno dobimo ustrezen kontrast s kemijskim jedkanjem, to je z nadzorovanim korozijskim napadom na dolo~ene mikrostrukturne sestavine. V nekaterih primerih so potrebna zelo agresivna jedkala, ki pogosto ne dajejo ponovljivih rezultatov ali se zadr`ijo v dolo~enih {pranjah in postopno uni~ujejo vzorec. V takih primerih lahko FIB uporabimo za postopno in nadzorovano odstranjevanje povr{inske plasti, da se odkrije mikrostruktura (slika 7). Za doseganje primernega kontrasta je navadno treba odstraniti le nekaj 10 nm debelo plast. Pri mo~nej{em odstranjevanju lahko 8 Slika 8: Priprava vzorca za TEM. Povr{ina rezine je prekrita s Pt. Slika prikazuje stanje po dokon~nem tanj{anju. Nato rezino pritrdimo na iglo mikromanipulatorja, izre`emo, pritrdimo na TEM-mre`ico in lo~imo od igle mikromanipulatorja. Slika 9: Samostoje~e mikrostopnice iz nanosa platine: a) nav-pi~ni posnetek z ioni, b) stranski posnetek z elektroni VAKUUMIST 26/4 (2006) nastanejo na povr{ini {tevilni artefakti, ki ote`ijo interpretacijo mikroposnetkov. 4.5 Izdelava vzorcev za TEM Ena izmed klasi~nih vrstuporabe FIB je priprava vzorcev za TEM. Omogo~a izdelavo zelo tankih vzorcev debeline pod 100 nm na to~no dolo~enem mestu. Postopek poteka v ve~ stopnjah. V prvi stopnji na vzorcu, ki je navadno bru{en in poliran do stopnje, da se razlo~ijo glavne mikrostruk-turne sestavine, dolo~imo mesto izreza in povr{ino za{~itimo z nanosom platine. V drugi stopnji stopni~asto odstranjujemo material na obeh straneh izreza s fokusiranim curkom galijevih ionov do globine okoli 5 µm (slika 8). Ker pri grobem odstranjevanju uporabljamo velike tokove ionskega curka (5–20 nA) in nastane neravna povr{ina, je potrebno glajenje z manj{imi tokovi, dokler ne dose`emo `elene debeline. V naslednjem koraku vzorec pritrdimo s Pt na tanko iglo manipulatorja in ga izre`emo. Nato vzorec pritrdimo na bakreno mre`ico prav tako s Pt, medtem ko povezavo z iglo mikromani-pulatorja prekinemo. Mre`ico s pritrjenim vzorcem prenesemo v TEM. ^e vzorec ni dovolj tanek, ga lahko {e dodatno stanj{amo. 4.6 Izdelava 3D-objektov Z nana{anjem predvsem ogljika iz fenantrena (C14H10) se lahko izdelajo najrazli~nej{i 3D-objekti, npr. vzmeti debeline 100 nm. Hitrost rasti ogljika je zelo velika, tudi do 10 µm/min, kar je bistveno ve~ kot ISSN 0351-9716 pri drugih snoveh, ki jih nana{amo. Slika 9 prikazuje razli~ne prostostoje~e mikrometrske stopnice, narejene z nana{anjem Pt. Kompleksnej{e oblike se lahko izdelajo s kombinacijo nana{anja plasti in mikro-obdelave. Novej{e naprave omogo~ajo izdelavo 3D-objektov na podlagi na~rtov 3D-CAD. 5 SKLEP Sodobni fokusirani ionski curek omogo~a odvzemanje in nana{anje materiala na to~no dolo~enih mestih ter tudi mikroskopiranje. Ve~inoma se uporablja skupaj z vrsti~nim elektronskim mikroskopom kot sistem z dvojnim elektronskim in ionskim curkom, katerega temeljna prednost je, da lahko z elektroni neposredno opazujemo delovanje fokusiranega ionskega curka. ^eprav se {e vedno najve~ uporablja za popravilo elektronskih vezij, se njegova uporaba {iri na najrazli~nej{a druga podro~ja, kotso kovinski, kerami~ni, polimerni in kompozitni materiali, geologija, umetnost, biologija, forenzika, ~e omenimo samo najpomembnej{a. 6 LITERATURA 1R. L. Selinger, J. W. Ward, V. Wang, R. L. Kubena, Appl. Phys. Lett. 34 (1979), 310 2J. Orloff, M. Utlant, L. Swanson: High Resolution Focused Ion Beams, FIB and Its Applications, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003 3L. A. Giannuzzi, F. A. Stevie (urednika): Introduction to Focused Ion Beams; Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Springer-Science + Business Media LLC, 2005 4J. Ziegler, www.srim.org VAKUUMIST 26/4 (2006) 9