La deposición inducida por haz de electrones (EBID) es un proceso de descomposición de moléculas gaseosas mediante un haz de electrones que conduce a la deposición de fragmentos no volátiles sobre un sustrato cercano. El haz de electrones suele ser proporcionado por un microscopio electrónico de barrido , lo que da como resultado una alta precisión espacial (potencialmente por debajo de un nanómetro) y la posibilidad de producir estructuras tridimensionales independientes. [1]
Proceso
Esquema del proceso EBIDconfiguración EBID
Generalmente se utiliza el haz de electrones enfocado de un microscopio electrónico de barrido (SEM) o un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM). Otro método es la deposición inducida por haz de iones (IBID), donde en su lugar se aplica un haz de iones enfocado . Los materiales precursores suelen ser líquidos o sólidos y gasificados antes de su deposición, generalmente mediante vaporización o sublimación , y se introducen, a una velocidad controlada con precisión, en la cámara de alto vacío del microscopio electrónico. Alternativamente, los precursores sólidos pueden ser sublimados por el propio haz de electrones. [2]
Cuando la deposición ocurre a alta temperatura o involucra gases corrosivos, se utiliza una cámara de deposición especialmente diseñada; [3] se aísla del microscopio y se introduce el haz en él a través de un orificio del tamaño de un micrómetro. El pequeño tamaño del orificio mantiene la presión diferencial en el microscopio (vacío) y en la cámara de deposición (sin vacío). Este modo de deposición se ha utilizado para la EBID de diamantes. [3] [4]
En presencia del gas precursor, el haz de electrones se barre sobre el sustrato, lo que produce la deposición de material. El escaneo suele estar controlado por computadora. La velocidad de deposición depende de una variedad de parámetros de procesamiento, como la presión parcial del precursor, la temperatura del sustrato, los parámetros del haz de electrones, la densidad de corriente aplicada, etc. Generalmente es del orden de 10 nm/s. [5]
Mecanismo de deposición
Las energías de los electrones primarios en SEM o STEM suelen estar entre 10 y 300 keV, donde las reacciones inducidas por el impacto de los electrones, es decir, la disociación de precursores, tienen una sección transversal relativamente baja. La mayor parte de la descomposición se produce mediante el impacto de electrones de baja energía: ya sea por electrones secundarios de baja energía, que cruzan la interfaz sustrato-vacío y contribuyen a la densidad de corriente total, o por electrones inelásticamente dispersos (retrodispersados). [5] [6] [7]
Resolucion espacial
Los electrones S(T)EM primarios se pueden enfocar en puntos tan pequeños como ~0,045 nm. [8] Si bien las estructuras más pequeñas depositadas hasta ahora por EBID son depósitos puntuales de ~0,7 nm de diámetro, [9] los depósitos suelen tener un tamaño lateral mayor que el tamaño del punto del haz. La razón son los llamados efectos de proximidad, es decir, los electrones secundarios, retrodispersados y dispersos hacia adelante (si el haz permanece en material ya depositado) contribuyen a la deposición. Como estos electrones pueden abandonar el sustrato a una distancia de hasta varias micras del punto de impacto del haz de electrones (dependiendo de su energía), la deposición de material no se limita necesariamente al punto irradiado. Para superar este problema, se pueden aplicar algoritmos de compensación, típicos de la litografía por haz de electrones.
Materiales y precursores
En 2008, la gama de materiales depositados por EBID incluía Al, Au, carbono amorfo, diamante, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si 3 N 4 , SiO x , TiO x , W, [5] y se estaba ampliando. El factor limitante es la disponibilidad de precursores apropiados, gaseosos o que tengan una temperatura de sublimación baja.
Los precursores más populares para la deposición de sólidos elementales son los carbonilos metálicos de estructura Me(CO) x o los metalocenos . Son fácilmente disponibles, sin embargo, debido a la incorporación de átomos de carbono de los ligandos de CO, los depósitos suelen presentar un bajo contenido de metal. [5] [10] Los complejos de metal-halógeno ( WF 6 , etc.) dan como resultado una deposición más limpia, pero son más difíciles de manejar ya que son tóxicos y corrosivos. [5] Los materiales compuestos se depositan a partir de gases exóticos especialmente elaborados, por ejemplo, D 2 GaN 3 para GaN. [5]
Ventajas
Muy flexible en cuanto a la forma y composición del depósito; El haz de electrones está controlado litográficamente y se dispone de multitud de precursores potenciales.
El tamaño lateral de las estructuras producidas y la precisión de la deposición no tienen precedentes
El material depositado se puede caracterizar utilizando técnicas de microscopía electrónica ( TEM , EELS , EDS , difracción de electrones ) durante o inmediatamente después de la deposición. También es posible la caracterización eléctrica y óptica in situ.
Desventajas
La deposición de material en serie y las bajas tasas de deposición en general limitan el rendimiento y, por tanto, la producción en masa.
Controlar la composición de los depósitos elementales o químicos sigue siendo un desafío importante, ya que las vías de descomposición de los precursores son en su mayoría desconocidas.
Los efectos de proximidad pueden conducir a una ampliación involuntaria de la estructura
Deposición inducida por haz de iones
La deposición inducida por haz de iones (IBID) es muy similar a la EBID con la principal diferencia de que se utiliza un haz de iones enfocado , generalmente de 30 keV Ga + , en lugar del haz de electrones. En ambas técnicas, no es el haz primario, sino los electrones secundarios los que provocan la deposición. IBID tiene las siguientes desventajas en comparación con EBID:
La dispersión angular de los electrones secundarios es mayor en IBID, lo que da como resultado una resolución espacial más baja.
Los iones Ga + introducen contaminación adicional y daños por radiación a la estructura depositada, lo cual es importante para las aplicaciones electrónicas. [10]
La deposición se produce en una configuración de haz de iones enfocado (FIB), lo que limita fuertemente la caracterización del depósito durante o inmediatamente después de la deposición. Sólo es posible obtener imágenes similares a SEM utilizando electrones secundarios, e incluso esas imágenes están restringidas a observaciones breves debido al daño de la muestra por el haz de Ga + . El uso de un instrumento de doble haz, que combina un FIB y un SEM en uno, evita esta limitación.
Las ventajas de IBID son:
Tasa de deposición mucho mayor
Mayor pureza
formas
Se pueden depositar nanoestructuras de prácticamente cualquier forma tridimensional mediante un escaneo de haz de electrones controlado por computadora. Sólo el punto inicial debe fijarse al sustrato, el resto de la estructura puede quedar independiente. Las formas y dispositivos conseguidos son notables:
^ Carden, Will G.; Lu, cuelga; Spencer, Julie A.; Hermano justo, D. Howard; McElwee-White, Lisa (1 de junio de 2018). "Diseño basado en mecanismos de precursores para la deposición inducida por haz de electrones enfocados". Comunicaciones MRS . 8 (2): 343–357. doi :10.1557/mrc.2018.77. ISSN 2159-6867.
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la deposición inducida por haz de electrones .
El Wikibook Nanotecnología tiene una página sobre el tema: Deposición inducida por haz de electrones
"Nanofabricación: fundamentos y aplicaciones" Ed.: Ampere A. Tseng, World Scientific Publishing Company (4 de marzo de 2008), ISBN 981-270-076-5 , ISBN 978-981-270-076-6
K. Molhave: "Herramientas para manipulaciones in situ y caracterización de nanoestructuras", tesis doctoral, Universidad Técnica de Dinamarca, 2004
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