El haz de iones enfocado , también conocido como FIB , es una técnica utilizada particularmente en la industria de los semiconductores , la ciencia de los materiales y cada vez más en el campo biológico para el análisis, la deposición y la ablación de materiales en sitios específicos . Una configuración FIB es un instrumento científico que se asemeja 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 . FIB también se puede incorporar en un sistema con columnas de haces 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 ). Generalmente se trata de sistemas bastante diferentes en los que el material se modifica mediante otros mecanismos.
Los instrumentos más extendidos utilizan fuentes de iones metálicos líquidos (LMIS), especialmente fuentes de iones de galio . También se encuentran 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 un 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.
Luego, los iones fuente generalmente se aceleran a una energía de 1 a 50 kiloelectronvoltios (0,16 a 8,01 fJ ) y se enfocan en 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 ha extendido el acceso a instrumentos que utilizan haces de plasma de iones de gases nobles, como el xenón. [1]
Los sistemas de haz de iones enfocados (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 obtener imágenes o con corrientes de haz alto para pulverización o fresado específicos del sitio.
Como muestra el diagrama de la derecha, el haz de iones primarios de galio (Ga+) golpea la superficie de la muestra y chisporrotea una pequeña cantidad de material, que sale de la superficie como 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 traza en la superficie de la muestra, la señal de los iones pulverizados o los electrones secundarios se recopila 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 imágenes de 5 nm (la resolución de imágenes con iones Ga está limitada a ~5 nm mediante pulverización [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 preciso de la muestra hasta un submicrómetro o incluso una escala nanométrica.
Si la muestra no es conductora, se puede utilizar un cañón de inundación de electrones de baja energía para neutralizar la carga. De esta manera, al obtener imágenes con iones secundarios positivos utilizando el haz de iones primario positivo, se pueden obtener imágenes y fresar incluso muestras altamente aislantes sin un recubrimiento de superficie conductora, como se requeriría en un SEM.
Hasta hace poco, el uso abrumador de FIB se ha producido en la industria de los semiconductores. Aplicaciones tales como análisis de defectos, modificación de circuitos, reparación de fotomáscaras y preparación de muestras mediante microscopio electrónico de transmisión (TEM) de ubicaciones específicas de sitios en circuitos integrados se han convertido en procedimientos comunes. Los últimos sistemas FIB tienen capacidad de imágenes de alta resolución; Esta capacidad, junto con el corte in situ, ha eliminado la necesidad, en muchos casos, de examinar muestras seccionadas por FIB en un instrumento SEM separado. [4] Las imágenes SEM todavía son necesarias para obtener imágenes de la más alta resolución y para evitar daños a 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 familiar 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 primario, ofrecen muchas ventajas sobre SEM.
Las imágenes de electrones secundarios FIB muestran un intenso contraste en la orientación del grano. Como resultado, se puede obtener imágenes de la morfología del grano fácilmente sin recurrir al grabado químico. El contraste de los límites de grano también se puede mejorar mediante una cuidadosa selección de los parámetros de imagen. Las imágenes de iones secundarios FIB también revelan diferencias químicas y son especialmente útiles en estudios de corrosión, ya que la producción de iones secundarios de los metales puede aumentar en tres órdenes de magnitud en presencia de oxígeno, lo que revela claramente la presencia de corrosión. [7]
Otra ventaja de las imágenes de electrones secundarios FIB es el hecho de que el haz de iones no altera la señal de las sondas fluorescentes utilizadas en el etiquetado de proteínas, creando así la oportunidad de correlacionar imágenes de electrones secundarios 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 golpean la muestra, chisporrotean átomos de la superficie. También se implantarán átomos de galio en los pocos nanómetros superiores de la superficie, y la superficie se volverá amorfa .
Debido a su capacidad de pulverización catódica, el FIB se utiliza como herramienta de micro y nanomecanizado para modificar o mecanizar materiales a micro y nanoescala. El micromecanizado FIB se ha convertido en un campo amplio en sí mismo, pero el nanomecanizado con FIB es un campo que aún se está desarrollando. Normalmente, el tamaño de haz más pequeño para obtener imágenes es de 2,5 a 6 nm. Las características fresadas más pequeñas son algo más grandes (10–15 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; un FIB ideal podría eliminar una capa de átomos sin ninguna alteración de los átomos de la siguiente capa, ni ninguna alteración residual sobre la superficie. Sin embargo, actualmente, debido a la pulverización catódica, el mecanizado normalmente deja rugosas 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 de vapor asistida por FIB se produce cuando un gas, como el hexacarbonilo de tungsteno (W(CO) 6 ), se introduce en la cámara de vacío y se le permite quimisorberse en 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 en forma de depósito. Esto es útil, ya que el metal depositado se puede utilizar como capa de sacrificio, para proteger la muestra subyacente de la destructiva pulverización catódica 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. También se pueden depositar localmente otros materiales como platino , cobalto, carbono, oro, etc. [8] [9] A continuación se muestran el proceso de deposición asistida por gas y grabado FIB. [10]
FIB se utiliza a menudo en la industria de los semiconductores para parchear o modificar un dispositivo semiconductor existente . Por ejemplo, en un circuito integrado , el haz de galio podría usarse para cortar conexiones eléctricas no deseadas y/o depositar material conductor para realizar una conexión. El alto nivel de interacción de la superficie se aprovecha en el dopaje modelado de semiconductores. FIB también se utiliza para la implantación sin máscara.
El FIB también se utiliza habitualmente para preparar muestras para el microscopio electrónico de transmisión . El TEM requiere muestras muy delgadas, típicamente de ~100 nanómetros o menos. Se pueden utilizar otras técnicas, como la molienda de iones 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 fallos de circuitos integrados. Si un transistor particular entre 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 microscopía electrónica de transmisión también se puede utilizar para seleccionar una microárea 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 FIB son el daño superficial y la implantación mencionados anteriormente, que producen efectos notables cuando se utilizan técnicas como la TEM de "imágenes reticulares" de alta resolución o la espectroscopia de pérdida de energía electrónica. Esta capa dañada se puede minimizar mediante el fresado 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 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]
FIB también se utiliza para 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 primario enfocado.
Para una introducción mínima de tensión y flexión en muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) ( laminillas , 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 rápida y corte de nanocables con una corriente de haz baja) y la minimización de la flexión inducida por tensión, la contaminación con Pt y el daño del haz de iones. [14]
Esta técnica es particularmente adecuada para la preparación de muestras de microscopía electrónica in situ .
Los mismos pasos de molienda sucesivos que se aplican al hacer muestras TEM se pueden aplicar para hacer muestras cónicas para tomografía con sonda atómica. En este caso, el ion se movía siguiendo un patrón de molienda anular y el círculo de molienda interior se hacía progresivamente más pequeño. La corriente del haz generalmente se reduce cuanto más pequeño se vuelve el círculo interior para evitar dañar o destruir la muestra. [15]
El haz de iones enfocado se ha convertido en una poderosa herramienta para obtener imágenes 3D específicas de un 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 llamado corte y visualización permite caracterizar nanoestructuras a mayor escala a través de los muchos modos de imagen 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 elimina secuencialmente después de recolectar cada imagen. Luego, la serie de imágenes recopiladas se reconstruye en un volumen 3D registrando la pila de imágenes y eliminando artefactos. El artefacto predominante que degrada la tomografía FIB es la cortina de molino de iones, donde los patrones de molino forman grandes franjas aperiódicas en cada imagen. La cortina del molino de iones se puede eliminar mediante algoritmos de eliminación de franjas . 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 del SIAL
Algunos pioneros de LMIS y FIB [20]
Otra fuente de iones que se ve en los instrumentos disponibles comercialmente es una fuente de iones de helio , que es inherentemente menos dañina para la muestra que los iones de Ga, aunque aún chisporroteará pequeñas cantidades de material, especialmente con grandes aumentos y tiempos de escaneo prolongados. Como los iones de helio pueden enfocarse en un tamaño de sonda pequeño y proporcionar una interacción de muestra mucho más pequeña que los electrones de alta energía (>1 kV) en el SEM, el microscopio de iones de He puede generar imágenes de resolución igual o mayor con buen contraste de material y una mayor profundidad. de enfoque. Los instrumentos comerciales tienen 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 Ga en estado estacionario. Esta implantación suele ser un problema en el rango del semiconductor donde el galio puede amorfizar el silicio. Para obtener una solución alternativa a las fuentes Ga LMI, se han desarrollado columnas con filtrado de masa, basadas en la tecnología de filtrado 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 Viena 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 adecuada permanece recta y pasa a través de la apertura de selección de masa mientras las otras masas están detenidas. [23]
Además de permitir el uso de fuentes distintas al galio, estas columnas pueden cambiar de especies diferentes simplemente ajustando las propiedades del filtro de Viena. Se pueden utilizar iones más grandes para realizar un fresado rápido antes de refinar los contornos con otros 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 gran interés en la investigación de materiales y dispositivos 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 experimentar un cambio en las propiedades magnéticas. Explotar FIB desde una perspectiva tan poco convencional es especialmente favorable hoy en día, cuando el futuro de tantas tecnologías novedosas depende de la capacidad de fabricar rápidamente prototipos de dispositivos magnéticos a nanoescala. [24]