El haz de iones enfocado , también conocido como FIB , es una técnica que se utiliza particularmente en la industria de semiconductores , ciencia de materiales y cada vez más en el campo biológico para análisis, deposición y ablación de materiales específicos del sitio . Una configuración FIB es un instrumento científico que se parece a un microscopio electrónico de barrido (SEM). Sin embargo, mientras que el SEM utiliza un haz de electrones enfocado para obtener imágenes de la muestra en la cámara, una configuración FIB utiliza un haz de iones enfocado en su lugar. FIB también se puede incorporar en un sistema con columnas de haz de electrones y de iones, lo que permite investigar la misma característica utilizando cualquiera de los haces. FIB no debe confundirse con el uso de un haz de iones enfocados para la litografía de escritura directa (como en la escritura con haz de protones ). Estos son generalmente sistemas bastante diferentes donde el material se modifica mediante otros mecanismos.
La mayoría de los instrumentos más extendidos utilizan fuentes de iones metálicos líquidos (LMIS), especialmente fuentes de iones de galio . También están disponibles fuentes de iones basadas en oro elemental e iridio. En un LMIS de galio, el galio metálico se coloca en contacto con una aguja de tungsteno , y el galio calentado humedece el tungsteno y fluye hacia la punta de la aguja, donde las fuerzas opuestas de la tensión superficial y el campo eléctrico forman el galio en una punta en forma de cúspide llamada cono de Taylor . El radio de la punta de este cono es extremadamente pequeño (~2 nm). El enorme campo eléctrico en esta pequeña punta (mayor que1 × 10 8 voltios por centímetro) provoca la ionización y la emisión de campo de los átomos de galio.
Los iones fuente se aceleran generalmente a una energía de 1 a 50 kiloelectronvoltios (0,16 a 8,01 fJ ) y se enfocan sobre la muestra mediante lentes electrostáticas . Los LMIS producen haces de iones de alta densidad de corriente con una dispersión de energía muy pequeña. Un FIB moderno puede suministrar decenas de nanoamperios de corriente a una muestra, o puede obtener imágenes de la muestra con un tamaño de punto del orden de unos pocos nanómetros.
Más recientemente, se han vuelto más ampliamente disponibles instrumentos que utilizan haces de plasma de iones de gases nobles, como el xenón. [1]
Los sistemas de haz de iones enfocado (FIB) se han producido comercialmente durante aproximadamente veinte años, principalmente para grandes fabricantes de semiconductores. Los sistemas FIB funcionan de manera similar a un microscopio electrónico de barrido (SEM), excepto que, en lugar de un haz de electrones y como su nombre lo indica, los sistemas FIB utilizan un haz de iones finamente enfocado (generalmente galio) que puede funcionar con corrientes de haz bajas para la obtención de imágenes o con corrientes de haz altas para la pulverización o el fresado en sitios específicos.
Como muestra el diagrama de la derecha, el haz de iones primarios de galio (Ga+) golpea la superficie de la muestra y pulveriza una pequeña cantidad de material, que sale de la superficie en forma de iones secundarios (i+ o i−) o átomos neutros (n 0 ). El haz primario también produce electrones secundarios (e − ). A medida que el haz primario se desplaza sobre la superficie de la muestra, la señal de los iones pulverizados o de los electrones secundarios se recoge para formar una imagen.
Con corrientes de haz primario bajas, se pulveriza muy poco material y los sistemas FIB modernos pueden alcanzar fácilmente una resolución de imagen de 5 nm (la resolución de imagen con iones Ga está limitada a ~5 nm por pulverización catódica [2] [3] y la eficiencia del detector). Con corrientes primarias más altas, se puede eliminar una gran cantidad de material mediante pulverización catódica, lo que permite un fresado de precisión de la muestra a escala submicrométrica o incluso nanométrica.
Si la muestra no es conductora, se puede utilizar un cañón de electrones de baja energía para neutralizar la carga. De esta manera, al obtener imágenes con iones secundarios positivos utilizando el haz de iones primarios positivos, incluso muestras altamente aislantes se pueden obtener imágenes y fresar sin un revestimiento superficial conductor, como se requeriría en un microscopio electrónico de barrido.
Hasta hace poco, el uso más extendido de FIB se ha centrado en la industria de semiconductores. Aplicaciones como el análisis de defectos, la modificación de circuitos, la reparación de fotomáscaras y la preparación de muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) en ubicaciones específicas de circuitos integrados se han convertido en procedimientos habituales. Los sistemas FIB más recientes tienen capacidad de obtención de imágenes de alta resolución; esta capacidad, junto con el seccionamiento in situ, ha eliminado la necesidad, en muchos casos, de examinar las muestras seccionadas con FIB en un instrumento SEM independiente. [4] La obtención de imágenes SEM sigue siendo necesaria para obtener imágenes de la más alta resolución y evitar daños en muestras sensibles. Sin embargo, la combinación de columnas SEM y FIB en la misma cámara permite aprovechar los beneficios de ambas.
Con corrientes de haz más bajas, la resolución de imágenes del FIB comienza a rivalizar con el microscopio electrónico de barrido (SEM) más conocido en términos de topografía de imágenes, sin embargo, los dos modos de imágenes del FIB, que utilizan electrones secundarios e iones secundarios , ambos producidos por el haz de iones primarios, ofrecen muchas ventajas sobre el SEM.
Las imágenes de electrones secundarios de FIB muestran un contraste intenso en la orientación de los granos. Como resultado, la morfología de los granos se puede visualizar fácilmente sin recurrir al grabado químico. El contraste de los límites de los granos también se puede mejorar mediante una selección cuidadosa de los parámetros de imagen. Las imágenes de iones secundarios de FIB también revelan diferencias químicas y son especialmente útiles en los estudios de corrosión, ya que los rendimientos de iones secundarios de los metales pueden aumentar en tres órdenes de magnitud en presencia de oxígeno, lo que revela claramente la presencia de corrosión. [7]
Otra ventaja de la obtención de imágenes de electrones secundarios mediante FIB es el hecho de que el haz de iones no altera la señal de las sondas fluorescentes utilizadas en el marcaje de proteínas, creando así la oportunidad de correlacionar las imágenes de electrones secundarios mediante FIB con imágenes obtenidas mediante microscopios de fluorescencia. [5] [6]
A diferencia de un microscopio electrónico, el FIB es inherentemente destructivo para la muestra. Cuando los iones de galio de alta energía chocan con la muestra, expulsan átomos de la superficie. Los átomos de galio también se implantan en los primeros nanómetros de la superficie y la superficie se vuelve amorfa .
Debido a la capacidad de pulverización catódica, el FIB se utiliza como una herramienta de micro y nanomecanizado para modificar o mecanizar materiales a escala micro y nanométrica. El micromecanizado con FIB se ha convertido en un campo amplio en sí mismo, pero el nanomecanizado con FIB es un campo que aún se encuentra en desarrollo. Por lo general, el tamaño de haz más pequeño para la obtención de imágenes es de 2,5 a 6 nm. Las características fresadas más pequeñas son algo más grandes (10 a 15 nm), ya que esto depende del tamaño total del haz y de las interacciones con la muestra que se está fresando.
Las herramientas FIB están diseñadas para grabar o mecanizar superficies; una FIB ideal podría mecanizar una capa de átomos sin alterar los átomos de la siguiente capa ni ninguna alteración residual sobre la superficie. Sin embargo, actualmente, debido a la pulverización catódica, el mecanizado generalmente vuelve ásperas las superficies en escalas de longitud submicrométricas. [8] [9]
También se puede utilizar un FIB para depositar material mediante deposición inducida por haz de iones . La deposición química en fase de vapor asistida por FIB se produce cuando se introduce un gas, como el hexacarbonilo de tungsteno (W(CO) 6 ), en la cámara de vacío y se permite que se quimisorbe sobre la muestra. Al escanear un área con el haz, el gas precursor se descompondrá en componentes volátiles y no volátiles; el componente no volátil, como el tungsteno, permanece en la superficie como una deposición. Esto es útil, ya que el metal depositado se puede utilizar como una capa de sacrificio, para proteger la muestra subyacente de la pulverización catódica destructiva del haz. Desde nanómetros hasta cientos de micrómetros de longitud, la deposición de metal de tungsteno permite colocar líneas de metal justo donde se necesitan. Otros materiales como platino , cobalto, carbono, oro, etc., también se pueden depositar localmente. [8] [9] A continuación se muestran la deposición asistida por gas y el proceso de grabado FIB. [10]
El FIB se utiliza a menudo en la industria de semiconductores para reparar o modificar un dispositivo semiconductor existente . Por ejemplo, en un circuito integrado , el haz de galio podría utilizarse para cortar conexiones eléctricas no deseadas y/o para depositar material conductor con el fin de realizar una conexión. El alto nivel de interacción de la superficie se aprovecha en el dopaje con patrones de semiconductores. El FIB también se utiliza para la implantación sin máscara.
El FIB también se utiliza comúnmente para preparar muestras para el microscopio electrónico de transmisión . El TEM requiere muestras muy delgadas, típicamente ~100 nanómetros o menos. Se pueden utilizar otras técnicas, como el fresado iónico o el electropulido para preparar muestras tan delgadas. Sin embargo, la resolución a escala nanométrica del FIB permite elegir la región exacta de interés, como quizás un límite de grano o un defecto en un material. Esto es vital, por ejemplo, en el análisis de fallas de circuitos integrados. Si un transistor en particular de varios millones en un chip está defectuoso, la única herramienta capaz de preparar una muestra de microscopio electrónico de ese único transistor es el FIB. [8] [9] El mismo protocolo utilizado para preparar muestras para la microscopía electrónica de transmisión también se puede utilizar para seleccionar un área microscópica de una muestra, extraerla y prepararla para el análisis utilizando una espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). [11]
Los inconvenientes de la preparación de muestras con FIB son los daños superficiales y la implantación mencionados anteriormente, que producen efectos notables cuando se utilizan técnicas como la TEM de "imágenes en red" de alta resolución o la espectroscopia de pérdida de energía de electrones. Esta capa dañada se puede minimizar mediante el fresado con FIB con voltajes de haz más bajos, o mediante un fresado adicional con un haz de iones de argón de bajo voltaje después de completar el proceso con FIB. [12]
La preparación de FIB se puede utilizar con muestras congeladas criogénicamente en un instrumento adecuadamente equipado, lo que permite el análisis transversal de muestras que contienen líquidos o grasas, como muestras biológicas, productos farmacéuticos, espumas, tintas y productos alimenticios. [13]
La FIB también se utiliza para la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). Los iones secundarios expulsados se recogen y analizan después de que la superficie de la muestra haya sido pulverizada con un haz de iones primarios enfocados.
Para una introducción mínima de estrés y flexión en muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) ( láminas , películas delgadas y otras muestras sensibles mecánicamente y al haz), cuando se transfieren dentro de un haz de iones enfocado (FIB), se pueden unir nanocables metálicos flexibles a un micromanipulador típicamente rígido .
Las principales ventajas de este método incluyen una reducción significativa del tiempo de preparación de la muestra (soldadura y corte rápidos de nanocables con corriente de haz baja) y la minimización de la flexión inducida por estrés, la contaminación de Pt y el daño del haz de iones. [14]
Esta técnica es especialmente adecuada para la preparación de muestras de microscopía electrónica in situ .
Los mismos pasos de fresado sucesivos que se aplican al preparar muestras TEM se pueden aplicar para preparar muestras cónicas para tomografía de sonda atómica. En este caso, el ion se mueve en un patrón de fresado anular y el círculo de fresado interno se hace progresivamente más pequeño. La corriente del haz generalmente se reduce cuanto más pequeño se vuelve el círculo interno para evitar dañar o destruir la muestra. [15]
El haz de iones enfocado se ha convertido en una herramienta poderosa para la obtención de imágenes 3D específicas del sitio de características submicrónicas en una muestra. En esta técnica de tomografía FIB, la muestra se muele secuencialmente utilizando un haz de iones perpendicular a la muestra mientras se obtienen imágenes de la superficie recién expuesta utilizando un haz de electrones. Este enfoque denominado "corte y visualización" permite caracterizar nanoestructuras a mayor escala a través de los muchos modos de obtención de imágenes disponibles para un SEM, incluida la medición de electrones secundarios, electrones retrodispersados y rayos X de energía dispersiva. El proceso es destructivo, ya que la muestra se muele secuencialmente después de que se recopila cada imagen. La serie de imágenes recopiladas se reconstruye luego en un volumen 3D registrando la pila de imágenes y eliminando artefactos. El artefacto predominante que degrada la tomografía FIB es la formación de cortinas de iones, donde los patrones de molienda forman grandes rayas aperiódicas en cada imagen. La formación de cortinas de iones se puede eliminar utilizando algoritmos de eliminación de rayas . La tomografía FIB se puede realizar tanto a temperatura ambiente como criogénica, así como en materiales y muestras biológicas.
Historia de la tecnología FIB
Física de LMIS
Algunos pioneros de LMIS y FIB [20]
Otra fuente de iones que se encuentra en los instrumentos disponibles comercialmente es la fuente de iones de helio , que es inherentemente menos dañina para la muestra que los iones de Ga, aunque aún así pulverizará pequeñas cantidades de material, especialmente con grandes aumentos y tiempos de escaneo largos. Como los iones de helio se pueden enfocar en un tamaño de sonda pequeño y proporcionan una interacción de muestra mucho menor que los electrones de alta energía (>1 kV) en el SEM, el microscopio de iones de He puede generar imágenes de resolución igual o superior con buen contraste de material y una mayor profundidad de enfoque. Los instrumentos comerciales son capaces de lograr una resolución inferior a 1 nm. [21] [22]
La obtención de imágenes y el fresado con iones Ga siempre dan como resultado la incorporación de Ga cerca de la superficie de la muestra. A medida que la superficie de la muestra se pulveriza a una velocidad proporcional al rendimiento de la pulverización y al flujo de iones (iones por área por tiempo), el Ga se implanta más en la muestra y se alcanza un perfil de estado estable de Ga. Esta implantación suele ser un problema en el rango del semiconductor donde el silicio puede ser amorfizado por el galio. Para obtener una solución alternativa a las fuentes LMI de Ga, se han desarrollado columnas filtradas por masa, basadas en una tecnología de filtro de Wien. Dichas fuentes incluyen fuentes de Au-Si, Au-Ge y Au-Si-Ge que proporcionan Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Pb y otros elementos.
El principio de un filtro de Wien se basa en el equilibrio de las fuerzas opuestas inducidas por campos electrostáticos y magnéticos perpendiculares que actúan sobre partículas aceleradas. La trayectoria de masa propia permanece recta y pasa a través de la abertura de selección de masa mientras que las otras masas se detienen. [23]
Además de permitir el uso de fuentes distintas del galio, estas columnas pueden cambiar de especies simplemente ajustando las propiedades del filtro de Wien. Se pueden utilizar iones más grandes para realizar una molienda rápida antes de refinar los contornos con iones más pequeños. Los usuarios también se benefician de la posibilidad de dopar sus muestras con elementos de fuentes de aleación adecuadas.
Esta última propiedad ha despertado un gran interés en la investigación de dispositivos y materiales magnéticos. Khizroev y Litvinov han demostrado, con la ayuda de la microscopía de fuerza magnética (MFM), que existe una dosis crítica de iones a la que se puede exponer un material magnético sin que se produzcan cambios en sus propiedades magnéticas. La explotación de la FIB desde una perspectiva tan poco convencional resulta especialmente favorable hoy en día, cuando el futuro de tantas tecnologías novedosas depende de la capacidad de fabricar rápidamente prototipos de dispositivos magnéticos a escala nanométrica. [24]