El fresado iónico es una técnica de grabado físico especializada que constituye un paso crucial en la preparación de técnicas de análisis de materiales. Después de que una muestra pasa por el fresado iónico, la superficie se vuelve mucho más suave y definida, lo que permite a los científicos estudiar el material con mucha más facilidad. El fresado iónico genera partículas de alta energía para eliminar material de la superficie de una muestra, de manera similar a cómo las partículas de arena y polvo desgastan las rocas en un cañón para crear una superficie suave. En comparación con otras técnicas, el fresado iónico crea mucho menos daño en la superficie, [1] lo que lo hace perfecto para técnicas analíticas sensibles a la superficie. Este artículo analiza el principio, el equipo, las aplicaciones y la importancia del fresado iónico.
El fresado iónico funciona según los principios de la pulverización catódica y la erosión . La pulverización catódica se produce cuando los iones de alta energía bombardean la superficie de la muestra. Los iones chocan con los átomos y las moléculas de la superficie y arrancan los átomos de la superficie. A medida que los iones de alta energía se dirigen hacia la superficie del material, se produce una cascada de colisiones . Los iones bombardean la superficie de la muestra y la energía se transfiere de los iones a los átomos de la superficie. Si la energía transferida supera la energía de enlace de los átomos objetivo, se desprenden de la superficie. El material que sobresale tiene menos energía de enlace superficial y es más probable que se expulse a través de la pulverización catódica. [2] A medida que continúa el proceso de fresado iónico, la superficie de la muestra se erosiona lentamente, lo que da como resultado una superficie delgada, plana y sin daños. Se pueden lograr resultados específicos cambiando el ángulo de incidencia de los iones, la energía iónica y el tipo de iones utilizados. [3]
Las fuentes de iones son fundamentales para la molienda de iones. Su diseño y funcionamiento son cruciales para producir resultados precisos. La fuente de iones más utilizada se basa en fuentes de iones de radiofrecuencia (RF) y campos eléctricos de corriente continua (CC) para generar y acelerar iones a partir de un gas, normalmente un gas noble como el argón o el xenón. Los campos de RF se utilizan para la ionización porque permiten un alto grado de control y eficiencia. Las fuentes de iones de RF pueden producir iones de manera eficiente mediante la creación de un campo eléctrico de radiofrecuencia alterno en una cavidad resonante . La RF utiliza una frecuencia de varios megahercios, que funciona mejor para la mayoría de los gases utilizados. El campo de RF hace que el gas repita ciclos de ionización y desprendimiento de electrones, lo que crea plasma . [4] El campo eléctrico alterno ioniza el gas arrancando los electrones y dejando los iones positivos. Luego, los iones se aceleran fuera del plasma utilizando un campo eléctrico de CC. Un electrodo de extracción con un campo eléctrico de CC acelera los iones hacia la muestra debido a la diferencia de voltaje entre el electrodo y la región del plasma. [5] La sinergia entre los campos de RF y CC es crucial para optimizar el rendimiento de la fuente de iones. La combinación precisa entre estos campos proporciona al haz de iones las características específicas que necesita, como la energía y la corriente. [5]
Para garantizar que la superficie se erosione de manera uniforme, la muestra debe mantenerse en su lugar mientras funciona el molino de iones. La muestra en sí debe tener una superficie que esté prácticamente nivelada y limpia. Antes del fresado iónico, la superficie debe ser bastante plana porque el proceso no elimina mucho material. Si la superficie de la muestra está sucia o tiene otras partículas encima, el molino de iones funcionará sobre la capa superior en lugar de sobre la superficie de la muestra en sí.
La muestra debe estar en un entorno de alto vacío para obtener resultados óptimos de fresado. El vacío garantiza que haya pocas partículas de aire que puedan interferir con el haz de iones. De esta manera, toda la energía del haz de energía se puede transferir a la superficie con mucha menos pérdida de energía. [6]
El análisis y el control del proceso de molienda iónica son fundamentales para lograr los resultados deseados y garantizar la calidad de los mismos. Existen muchas técnicas e instrumentos que permiten visualizar parámetros clave durante la molienda iónica.
El SEM se utiliza para analizar la morfología de la superficie de las muestras después de la molienda iónica. La obtención de imágenes SEM se utiliza para evaluar la eliminación de material, la rugosidad de la superficie y las características de la sección transversal. [7]
Después de moler las muestras, se realiza un análisis elemental e isotópico mediante SIMS . Después de que los iones primarios alcanzan la superficie, se liberan iones secundarios y partículas durante el bombardeo de la superficie. Los científicos pueden recopilar datos completos sobre la composición del material al comprender qué iones se utilizan para moler y qué iones secundarios se liberan. [90]
La XPS se utiliza para analizar la composición química de la superficie. Se utilizan rayos X para irradiar la muestra y medir las energías de los fotoelectrones emitidos. La XPS evalúa la química de la superficie y puede detectar cualquier cambio químico inducido por el fresado iónico. Este proceso puede indicar cuánto daño ha causado el fresado iónico a la superficie después del bombardeo iónico. [8]
Las técnicas de monitoreo in situ permiten observar el proceso de molienda de iones en tiempo real. Un tipo de monitoreo in situ es la espectroscopia de emisión óptica (OES). La OES monitorea la emisión de luz durante la molienda de iones y brinda información sobre el plasma. [9]
La molienda iónica se puede utilizar para adelgazar muestras hasta la transparencia electrónica en la microscopía electrónica de transmisión ( MET ). [3]
El fresado iónico de superficies preciso y sin daños lo hace perfecto para la fabricación precisa de semiconductores. El uso del fresado iónico para microelectrónica puede crear características y patrones bien definidos en obleas de semiconductores . [10]
La molienda iónica se puede utilizar para crear muestras de secciones transversales de materiales. Las secciones transversales muestran las interfaces, las estructuras de las capas y los defectos del material.
El fresado iónico permite extraer unos pocos átomos a la vez, lo que permite crear superficies lisas y pulidas en determinados materiales. Mejorar la calidad de la superficie es crucial en cualquier cosa que requiera precisión, como la óptica o los semiconductores.
La molienda iónica revolucionó los campos de la ingeniería de materiales y la ingeniería mecánica, permitiendo a los investigadores y científicos obtener muestras de alta calidad para el análisis avanzado de materiales. Sus aplicaciones en diversas industrias y su papel en el avance de la microelectrónica lo convierten en una herramienta indispensable para la investigación y el desarrollo modernos.