集束イオンビーム(FIB)

顕微鏡のもとで、イオンのビームにより材料を削り、または付け足す

集束イオンビーム(FIB)は、ナノスケールのサンドブラスターです。数ナノメートルの点に絞ったガリウムイオンのビームが、表面から、ごく小さな領域ずつ原子を叩き出します。同じビームで写真も撮れ、少量のガスを加えれば、微小な金属構造もつくれます。チップメーカーは、チップを切り開いて修理するのに使い、科学者は、電子顕微鏡で見られるほど薄く試料をスライスするのに使います。

写真：Cm the p, CC BY-SA 3.0, 提供： Wikimedia Commons

集束イオンビームのカラムと試料の断面 · 6つの手順図は、イオンカラムとその下の試料を切った断面です。丸数字は下の手順に対応しています。

しくみ

イオンをつくる。 液体のガリウムが、先端が非常に鋭い針を濡らします。強い電界が、ガリウムイオン(電子を失って電荷を帯びた原子)を先端から引き出します。
加速して集束する。 イオンは、通常約 30 kV に加速され、電気レンズ(荷電粒子の軌道を曲げる帯電したリング)が、数ナノメートルほどの小さな点に絞ります。アパーチャ(小さな穴)が、通り抜けるイオンの数を決めます。イオンが多いほど速く削れますが、点は広くなります。
走査する。 走査板が、プログラムしたパターンで、ビームを表面に沿って動かします。小さな CNC のツールパスのようなものです。
ミリングする。 各イオンは、微小な砲弾のように表面に当たり、いくつかの原子を叩き出します。これをスパッタリングといいます。パスを重ねるごとに、ビームは、数十ナノメートルの精度の壁をもつ、溝、穴、断面を掘っていきます。
観察する。 衝突は、電子も叩き出します。検出器がそれを集めて画像をつくり、走査電子顕微鏡のようになります。ほとんどの装置には、よりやさしく観察するための本物の電子カラムも備わっています。
堆積するか、取り出す。 針が、白金やタングステンを含むガスを吹き付けます。ビームが当たった場所ではガスが分解して金属の堆積物を残し、それをチップの配線の変更や、薄い切片を微小なプローブに溶接して取り出すのに使います。

主なポイント

材料: 真空中のほぼあらゆるもの:シリコン、金属、セラミックス、ガラス、ポリマー、凍結した生体試料
代表的な部品: チップの断面と修理、電子顕微鏡用の薄い切片(ラメラ)、ナノパターン、微小なプローブの先端
部品サイズ: 約 10 nm から数十マイクロメートルまでの形状。試料は数ミリからウェハー全体まで
精度: 約 10 から数十ナノメートル
表面仕上げ: 切断面は非常になめらか。表面には、打ち込まれたガリウムと、薄い損傷層が残る
向いているロット数: 1品もの:分析、修理、試作
金型・設備コスト: 金型は不要。装置は数十万ドルから数百万ドル
速度: 非常に遅い:数マイクロメートル角の立方体を除去するのに、数分から数時間かかることも

強みと限界

強み

マスクなしで、ナノメートルのスケールで、選んだ場所をぴったり切れる
同じ装置で、ミリング、観察、堆積ができる
ほぼどんな固体材料にも使える
完成したチップを修理したり、配線を変更したりできる

限界

極めて遅く、ごく小さな体積しか扱えない
ガリウムイオンが表面に打ち込まれて、損傷を与える
高価な装置、真空、熟練した作業者が必要
直列で、1点ずつ:量産には向かない

使われる場所

半導体故障解析、不良チップの断面、試作品の回路修正
顕微鏡観察透過電子顕微鏡用の薄い切片
材料科学金属、電池、岩石の、3次元の「スライス&ビュー」観察
ナノファブリケーションナノパターン、ナノ孔、プローブ顕微鏡の探針
ライフサイエンス凍結した細胞の薄い切片(クライオ FIB)

見分け方

目には見えません。 FIB の切削跡は、肉眼で見るにはあまりにも小さく、製品の上で見つけることは決してありません。その仕事は、スマートフォンやノートパソコンのチップの裏側にあります。それらの試作品が、FIB で切り開かれ、検査され、ときに修理されたのです。
電子顕微鏡で見ると、 FIB の加工跡は、完全に長方形の箱や溝で、なめらかで急な壁をもち、研磨された断面の手前に階段状の穴があることも多くあります。
白金のストリップ。 切削する領域の上に置かれた、薄い保護用の金属ストリップは、FIB に特徴的な痕跡です。