Pelajaran 13.5Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Focused ion beam (FIB)

Mengikis atau menambah material dengan berkas ion di bawah mikroskop

Focused ion beam (FIB) adalah sandblaster skala nano: berkas ion galium, difokuskan menjadi titik selebar beberapa nanometer, mengetuk atom lepas dari permukaan satu area kecil pada satu waktu. Berkas yang sama juga bisa mengambil gambar dan, dengan sedikit gas, membangun struktur logam kecil. Pembuat chip memakainya untuk membuka dan memperbaiki chip, dan ilmuwan memakainya untuk mengiris sampel setipis yang dibutuhkan mikroskop elektron.

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

Kolom focused-ion-beam dan sampel dalam penampang · 6 langkahGambar adalah potongan melalui kolom ion dan sampel di bawahnya; angka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah.

Cara kerjanya

Buat ion. Galium cair membasahi jarum dengan ujung sangat tajam. Medan listrik kuat menarik ion galium (atom yang kehilangan satu elektron, sehingga membawa muatan listrik) dari ujungnya.
Percepat dan fokuskan. Ion dipercepat, biasanya hingga sekitar 30 kV, dan lensa listrik (cincin bermuatan yang membelokkan lintasan partikel bermuatan) memerasnya menjadi titik sekecil beberapa nanometer. Apertur (lubang kecil) menentukan berapa banyak ion yang lolos: lebih banyak ion memotong lebih cepat tetapi titiknya lebih lebar.
Pindai. Pelat pemindai mengarahkan berkas melintasi permukaan dalam pola terprogram, seperti jalur perkakas CNC kecil.
Kikis. Setiap ion menghantam permukaan seperti peluru meriam mikroskopis dan mengeluarkan beberapa atom. Ini disebut sputtering. Lintasan demi lintasan, berkas menggali parit, lubang, atau penampang dengan dinding yang akurat hingga puluhan nanometer.
Citra. Tumbukan juga melepaskan elektron. Detektor mengumpulkannya untuk membentuk gambar, seperti scanning electron microscope; sebagian besar mesin juga membawa kolom elektron sungguhan untuk pencitraan yang lebih lembut.
Endapkan atau angkat keluar. Jarum menyemprotkan gas yang mengandung platina atau tungsten. Di tempat berkas mengenai, gas terurai dan meninggalkan endapan logam, dipakai untuk memasang ulang kabel chip atau mengelas irisan tipis ke probe kecil dan mengangkatnya keluar.

Fakta kunci

Material: Hampir apa saja dalam vakum: silikon, logam, keramik, kaca, polimer, sampel biologis beku
Komponen khas: Penampang dan perbaikan chip, irisan tipis (lamella) untuk mikroskop elektron, nano-pola, ujung probe kecil
Ukuran komponen: Fitur dari sekitar 10 nm hingga puluhan mikrometer, pada sampel dari beberapa milimeter hingga satu wafer utuh
Presisi: Sekitar sepuluh hingga beberapa puluh nanometer
Hasil permukaan: Permukaan potong sangat halus; permukaan menyimpan sedikit galium yang tertanam dan lapisan tipis yang rusak
Ukuran batch yang cocok: Satuan: analisis, perbaikan, prototipe
Biaya perkakas dan mesin: Tanpa perkakas; instrumen berharga dari beberapa ratus ribu hingga beberapa juta dolar
Kecepatan: Sangat lambat: membuang kubus selebar beberapa mikrometer bisa butuh menit hingga jam

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Memotong tepat di tempat yang Anda pilih, pada skala nanometer, tanpa masker
Mengikis, mencitrakan, dan mengendapkan dalam satu mesin yang sama
Bekerja pada hampir semua material padat
Bisa memperbaiki atau memasang ulang kabel chip jadi

Batasan

Sangat lambat; hanya volume sangat kecil
Ion galium tertanam ke dalam dan merusak permukaan
Instrumen mahal, vakum, dan operator terampil
Serial, satu titik pada satu waktu: tidak cocok untuk produksi

Di mana dipakai

SemikonduktorAnalisis kegagalan, penampang chip rusak, penyuntingan sirkuit pada prototipe
MikroskopiIrisan tipis untuk mikroskop elektron transmisi
Ilmu materialPencitraan 3D "slice and view" pada logam, baterai, batuan
NanofabrikasiNano-pola, nano-pori, ujung untuk mikroskop probe
Ilmu hayatiIrisan tipis sel beku (cryo-FIB)

Cara mengenalinya

Anda tidak bisa melihatnya. Potongan FIB jauh terlalu kecil untuk mata; Anda tidak akan pernah menemukannya pada produk. Hasil kerjanya ada di balik chip pada ponsel dan laptop Anda, yang prototipenya dibuka, diperiksa, dan kadang diperbaiki dengannya.
Di bawah mikroskop elektron, hasil FIB tampak sebagai kotak dan parit persegi panjang sempurna dengan dinding halus dan curam, sering dengan lubang berbentuk tangga di depan permukaan penampang yang dipoles.
Strip platina. Strip logam pelindung tipis yang diletakkan di atas area potong adalah ciri khas FIB.

Bandingkan dengan

Fotolitografi13.2memola seluruh wafer sekaligus melalui masker; FIB menulis satu titik pada satu waktu tanpa masker, jauh lebih lambat tetapi fleksibel.Permesinan laser femtosekon13.6juga membuang material dengan presisi tanpa perkakas, tetapi jauh lebih cepat dan pada skala mikrometer, bukan nanometer.Sinker EDM6.6membuang logam dengan percikan pada skala milimeter; FIB membuang atom dengan ion.

Tonton

Penn State MRI · Pengantar laboratorium yang jelas tentang instrumen dan apa yang dikerjakannya

AIF NC State University · Pengikisan langsung, seperti terlihat di layar operator

Covalent · Bagaimana irisan tipis dipotong, dilas ke probe, dan diangkat keluar

PicoScientific · Pencitraan slice-and-view yang membangun ulang sampel dalam 3D

Lihat foto asli

Wikipedia: Focused ion beam — ilustrasi kolom ion dan struktur buatan FIB
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Berkas terfokus ion galium membuang atom tepat di tempat ia diarahkan.
Mesin yang sama mengikis, mencitrakan, dan mengendapkan logam, semuanya pada skala nanometer.
Ini alat untuk analisis, perbaikan, dan prototipe, jauh terlalu lambat untuk produksi massal.