Lección 13.5Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Haz de iones focalizado (FIB)

Mecaniza o añade material con un haz de iones bajo un microscopio

Un haz de iones focalizado (FIB) es un chorro de arena a escala nanométrica: un haz de iones de galio, enfocado en un punto de unos pocos nanómetros de ancho, arranca átomos de una superficie en una pequeña zona cada vez. El mismo haz también puede tomar imágenes y, con un poco de gas, construir diminutas estructuras metálicas. Los fabricantes de chips lo usan para abrir y reparar chips, y los científicos para cortar muestras lo bastante finas para los microscopios electrónicos.

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

Columna de haz de iones focalizado y muestra en sección · 6 pasosEl dibujo es un corte de la columna de iones y de la muestra que hay debajo; los números en círculo corresponden a los pasos de abajo.

Cómo funciona

Genera iones. El galio líquido moja una aguja de punta afiladísima. Un campo eléctrico intenso arranca de la punta iones de galio (átomos que han perdido un electrón, así que tienen carga eléctrica).
Acelera y enfoca. Los iones se aceleran, normalmente a unos 30 kV, y unas lentes eléctricas (anillos cargados que curvan las trayectorias de las partículas cargadas) los comprimen en un punto de apenas unos pocos nanómetros. Una apertura (un agujero pequeño) fija cuántos iones pasan: más iones cortan más rápido pero hacen un punto más ancho.
Barre. Unas placas de barrido dirigen el haz por la superficie según un patrón programado, como una diminuta trayectoria de herramienta CNC.
Mecaniza. Cada ion golpea la superficie como una bala de cañón microscópica y arranca unos pocos átomos. Esto se llama pulverización catódica (sputtering). Pasada tras pasada, el haz excava zanjas, agujeros o secciones con paredes precisas a decenas de nanómetros.
Toma imágenes. Los impactos también arrancan electrones. Un detector los recoge para construir una imagen, como en un microscopio electrónico de barrido; la mayoría de las máquinas llevan además una columna de electrones propiamente dicha para obtener imágenes más suaves.
Deposita o extrae. Una aguja proyecta un gas que contiene platino o tungsteno. Donde incide el haz, el gas se descompone y deja un depósito metálico, usado para recablear chips o para soldar una lámina fina a una sonda diminuta y sacarla.

Datos clave

Materiales: Casi cualquier cosa en vacío: silicio, metales, cerámicas, vidrio, polímeros, muestras biológicas congeladas
Piezas típicas: Secciones y reparaciones de chips, láminas finas (lamelas) para microscopios electrónicos, nanopatrones, puntas de sonda diminutas
Tamaño de pieza: Detalles desde unos 10 nm hasta decenas de micrómetros, en muestras desde unos pocos milímetros hasta una oblea entera
Precisión: De unos diez a unas pocas decenas de nanómetros
Acabado superficial: Caras de corte muy lisas; la superficie conserva algo de galio implantado y una fina capa dañada
Tamaño de lote adecuado: Piezas únicas: análisis, reparaciones, prototipos
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje; los instrumentos cuestan de varios cientos de miles a unos pocos millones de dólares
Velocidad: Muy lento: eliminar un cubo de unos pocos micrómetros de lado puede llevar de minutos a horas

Ventajas y límites

Ventajas

Corta exactamente donde eliges, a escala nanométrica, sin máscara
Mecaniza, toma imágenes y deposita en la misma máquina
Funciona con casi cualquier material sólido
Puede reparar o recablear un chip terminado

Límites

Extremadamente lento; solo volúmenes diminutos
Los iones de galio se implantan en la superficie y la dañan
Instrumento caro, vacío y operario cualificado
En serie, un punto cada vez: no apto para producción

Dónde se usa

SemiconductoresAnálisis de fallos, secciones de chips defectuosos, ediciones de circuito en prototipos
MicroscopíaLáminas finas para microscopios electrónicos de transmisión
Ciencia de materialesImágenes 3D de «corte y observación» de metales, baterías, rocas
NanofabricaciónNanopatrones, nanoporos, puntas para microscopios de sonda
Ciencias de la vidaLáminas finas de células congeladas (crio-FIB)

Cómo reconocerlo

No se ve. Los cortes del FIB son demasiado pequeños para el ojo; nunca verás uno en un producto. Su trabajo está detrás de los chips de tu móvil y tu portátil, cuyos prototipos se abrieron, inspeccionaron y a veces repararon con él.
Bajo un microscopio electrónico, el trabajo del FIB aparece como cajas y zanjas perfectamente rectangulares con paredes lisas y empinadas, a menudo con un foso escalonado delante de una cara de sección pulida.
Tiras de platino. Una tira fina de metal protector colocada sobre una zona de corte es una firma típica del FIB.

Compáralo con

Fotolitografía13.2estampa una oblea entera de una vez a través de una máscara; el FIB escribe un punto cada vez sin máscara, mucho más lento pero flexible.Mecanizado con láser de femtosegundos13.6también elimina material con precisión sin herramienta, pero mucho más rápido y a escala de micrómetros en vez de nanómetros.Electroerosión por penetración6.6elimina metal con chispas a escala de milímetros; el FIB elimina átomos con iones.

Míralo

Penn State MRI · Una introducción clara de laboratorio al instrumento y a lo que hace

AIF NC State University · Mecanizado en directo, visto en la pantalla del operador

Covalent · Cómo se corta una lámina fina, se suelda a una sonda y se extrae

PicoScientific · Imágenes de corte y observación que reconstruyen una muestra en 3D

Ver fotos reales

Wikipedia: Haz de iones focalizado — ilustraciones de la columna de iones y de estructuras hechas con FIB
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Un haz focalizado de iones de galio elimina átomos exactamente donde se apunta.
La misma máquina mecaniza, toma imágenes y deposita metal, todo a escala nanométrica.
Es una herramienta de análisis, reparación y prototipos, demasiado lenta para la producción en masa.