Lektion 13.5Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Focused Ion Beam (FIB)

Trägt Material ab oder fügt es hinzu, mit einem Ionenstrahl unter einem Mikroskop

Ein Focused Ion Beam (FIB) ist ein Sandstrahler im Nanomaßstab: Ein Strahl aus Galliumionen, auf einen Fleck von wenigen Nanometern Breite gebündelt, schlägt Atome von einer Oberfläche ab, einen winzigen Bereich nach dem anderen. Derselbe Strahl kann auch Bilder aufnehmen und mit etwas Gas winzige Metallstrukturen aufbauen. Chiphersteller nutzen ihn, um Chips aufzuschneiden und zu reparieren, und Wissenschaftler, um Proben so dünn zu schneiden, dass sie für Elektronenmikroskope taugen.

Foto: Cm the p, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Focused-Ion-Beam-Säule und Probe im Querschnitt · 6 SchritteDie Zeichnung ist ein Schnitt durch die Ionensäule und die Probe darunter; die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Ionen erzeugen. Flüssiges Gallium benetzt eine Nadel mit sehr scharfer Spitze. Ein starkes elektrisches Feld zieht Galliumionen (Atome, die ein Elektron verloren haben und daher eine elektrische Ladung tragen) von der Spitze.
Beschleunigen und fokussieren. Die Ionen werden beschleunigt, meist auf etwa 30 kV, und elektrische Linsen (geladene Ringe, die die Bahnen geladener Teilchen krümmen) pressen sie zu einem Fleck von nur wenigen Nanometern. Eine Blende (ein kleines Loch) bestimmt, wie viele Ionen durchkommen: Mehr Ionen schneiden schneller, ergeben aber einen breiteren Fleck.
Scannen. Ablenkplatten lenken den Strahl in einem programmierten Muster über die Oberfläche, wie ein winziger CNC-Werkzeugpfad.
Abtragen. Jedes Ion trifft die Oberfläche wie eine mikroskopische Kanonenkugel und schlägt einige Atome heraus. Das nennt man Sputtern. Durchgang um Durchgang gräbt der Strahl Gräben, Löcher oder Querschnitte mit Wänden, die auf einige zehn Nanometer genau sind.
Abbilden. Die Einschläge lösen auch Elektronen. Ein Detektor sammelt sie, um ein Bild aufzubauen, wie bei einem Rasterelektronenmikroskop; die meisten Maschinen haben zudem eine echte Elektronensäule für schonendere Abbildung.
Abscheiden oder herausheben. Eine Nadel sprüht ein Gas mit Platin oder Wolfram. Wo der Strahl trifft, zerfällt das Gas und hinterlässt eine Metallabscheidung, genutzt, um Chips neu zu verdrahten oder eine dünne Scheibe an eine winzige Sonde zu schweißen und herauszuheben.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Fast alles im Vakuum: Silizium, Metalle, Keramik, Glas, Polymere, gefrorene biologische Proben
Typische Teile: Chip-Querschnitte und -Reparaturen, dünne Scheiben (Lamellen) für Elektronenmikroskope, Nanomuster, winzige Sondenspitzen
Bauteilgröße: Merkmale von etwa 10 nm bis zu einigen zehn Mikrometern, auf Proben von einigen Millimetern bis zu einem ganzen Wafer
Präzision: Etwa zehn bis einige zehn Nanometer
Oberfläche: Sehr glatte Schnittflächen; die Oberfläche behält etwas implantiertes Gallium und eine dünne geschädigte Schicht
Geeignete Losgröße: Einzelstücke: Analyse, Reparaturen, Prototypen
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug; Geräte kosten von einigen hunderttausend bis zu einigen Millionen Dollar
Geschwindigkeit: Sehr langsam: Das Abtragen eines Würfels von wenigen Mikrometern Kantenlänge kann Minuten bis Stunden dauern

Stärken und Grenzen

Stärken

Schneidet genau dort, wo Sie es wählen, im Nanometerbereich, ohne Maske
Trägt ab, bildet ab und scheidet ab, in derselben Maschine
Funktioniert an fast jedem festen Material
Kann einen fertigen Chip reparieren oder neu verdrahten

Grenzen

Extrem langsam; nur winzige Volumina
Galliumionen werden in die Oberfläche implantiert und schädigen sie
Teures Gerät, Vakuum und geschultes Personal
Seriell, ein Punkt nach dem anderen: ungeeignet für die Produktion

Wo es eingesetzt wird

HalbleiterFehleranalyse, Querschnitte fehlerhafter Chips, Schaltungsänderungen an Prototypen
MikroskopieDünne Scheiben für Transmissionselektronenmikroskope
Materialwissenschaft3D-Abbildung per „Slice and View“ von Metallen, Batterien, Gesteinen
NanofertigungNanomuster, Nanoporen, Spitzen für Rastersondenmikroskope
BiowissenschaftenDünne Scheiben gefrorener Zellen (Kryo-FIB)

So erkennen Sie es

Man sieht es nicht. FIB-Schnitte sind für das Auge viel zu klein; Sie werden nie einen an einem Produkt entdecken. Seine Arbeit steckt hinter den Chips in Ihrem Handy und Laptop, deren Prototypen damit aufgeschnitten, untersucht und manchmal repariert wurden.
Unter einem Elektronenmikroskop zeigt sich FIB-Arbeit als vollkommen rechteckige Kästen und Gräben mit glatten, steilen Wänden, oft mit einer treppenförmigen Grube vor einer polierten Querschnittsfläche.
Platinstreifen. Ein dünner schützender Metallstreifen auf einem geschnittenen Bereich ist eine typische FIB-Signatur.

Im Vergleich mit

Fotolithografie13.2strukturiert einen ganzen Wafer auf einmal durch eine Maske; FIB schreibt Punkt für Punkt ohne Maske, weit langsamer, aber flexibel.Femtosekundenlaser-Bearbeitung13.6trägt ebenfalls Material präzise ohne Werkzeug ab, aber viel schneller und im Mikrometer- statt Nanometerbereich.Senkerodieren6.6trägt Metall mit Funken im Millimeterbereich ab; FIB trägt Atome mit Ionen ab.

Ansehen

Penn State MRI · Eine klare Laboreinführung in das Gerät und was es tut

AIF NC State University · Live-Abtragen, gesehen auf dem Bildschirm des Bedieners

Covalent · Wie eine dünne Scheibe geschnitten, an eine Sonde geschweißt und herausgehoben wird

PicoScientific · Slice-and-View-Abbildung, die eine Probe in 3D rekonstruiert

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Focused Ion Beam — Illustrationen der Ionensäule und FIB-gefertigter Strukturen
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Ein gebündelter Strahl aus Galliumionen entfernt Atome genau dort, wohin er gerichtet ist.
Dieselbe Maschine trägt ab, bildet ab und scheidet Metall ab, alles im Nanometerbereich.
Es ist ein Werkzeug für Analyse, Reparatur und Prototypen, für die Massenfertigung viel zu langsam.