Lição 13.5Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Feixe de íons focalizado (FIB)

Desbasta ou adiciona material com um feixe de íons sob um microscópio

Um feixe de íons focalizado (FIB) é um jato de areia em nanoescala: um feixe de íons de gálio, focalizado em um ponto de poucos nanômetros de largura, arranca átomos de uma superfície uma pequena área por vez. O mesmo feixe também pode tirar fotos e, com um pouco de gás, construir minúsculas estruturas de metal. Fabricantes de chips o usam para abrir e reparar chips, e cientistas o usam para fatiar amostras finas o bastante para microscópios eletrônicos.

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

Coluna de feixe de íons focalizado e amostra em corte · 6 etapasO desenho é um corte pela coluna de íons e pela amostra abaixo dela; os números circulados correspondem às etapas abaixo.

Como funciona

Gere íons. Gálio líquido molha uma agulha de ponta muito afiada. Um campo elétrico forte arranca da ponta íons de gálio (átomos que perderam um elétron, então carregam uma carga elétrica).
Acelere e focalize. Os íons são acelerados, normalmente a cerca de 30 kV, e lentes elétricas (anéis carregados que curvam a trajetória de partículas carregadas) os comprimem em um ponto de apenas alguns nanômetros. Uma abertura (um pequeno furo) define quantos íons passam: mais íons cortam mais rápido, mas fazem um ponto mais largo.
Varra. Placas de varredura direcionam o feixe pela superfície em um padrão programado, como uma minúscula trajetória de ferramenta CNC.
Desbaste. Cada íon atinge a superfície como uma bala de canhão microscópica e arranca alguns átomos. Isso se chama sputtering (pulverização). Passe após passe, o feixe escava trincheiras, furos ou seções transversais com paredes precisas até dezenas de nanômetros.
Forme a imagem. Os impactos também soltam elétrons. Um detector os coleta para formar uma imagem, como em um microscópio eletrônico de varredura; a maioria das máquinas também tem uma coluna de elétrons de verdade para imagens mais suaves.
Deposite ou retire. Uma agulha borrifa um gás contendo platina ou tungstênio. Onde o feixe atinge, o gás se decompõe e deixa um depósito de metal, usado para refazer ligações de chips ou para soldar uma fatia fina a uma minúscula sonda e retirá-la.

Dados-chave

Materiais: Quase qualquer coisa no vácuo: silício, metais, cerâmicas, vidro, polímeros, amostras biológicas congeladas
Peças típicas: Seções transversais e reparos de chips, fatias finas (lamelas) para microscópios eletrônicos, nanopadrões, minúsculas pontas de sonda
Tamanho da peça: Detalhes de cerca de 10 nm a dezenas de micrômetros, em amostras de alguns milímetros a um wafer inteiro
Precisão: Cerca de dez a algumas dezenas de nanômetros
Acabamento superficial: Faces de corte muito lisas; a superfície mantém um pouco de gálio implantado e uma fina camada danificada
Tamanho de lote adequado: Peças únicas: análise, reparos, protótipos
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental; os instrumentos custam de várias centenas de milhares a alguns milhões de dólares
Velocidade: Muito lenta: remover um cubo de alguns micrômetros de lado pode levar de minutos a horas

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Corta exatamente onde você escolhe, em escala de nanômetro, sem máscara
Desbasta, forma imagens e deposita na mesma máquina
Funciona em quase qualquer material sólido
Pode reparar ou refazer ligações de um chip pronto

Limites

Extremamente lenta; só volumes minúsculos
Os íons de gálio se implantam na superfície e a danificam
Instrumento caro, vácuo e operador especializado
Em série, um ponto de cada vez: inadequada para produção

Onde é usado

SemicondutoresAnálise de falhas, seções transversais de chips defeituosos, edições de circuito em protótipos
MicroscopiaFatias finas para microscópios eletrônicos de transmissão
Ciência dos materiaisImagem 3D de "fatiar e observar" de metais, baterias, rochas
NanofabricaçãoNanopadrões, nanoporos, pontas para microscópios de sonda
Ciências da vidaFatias finas de células congeladas (crio-FIB)

Como reconhecê-lo

Você não consegue ver. Os cortes de FIB são pequenos demais para o olho; você nunca vai notar um em um produto. O trabalho dele fica por trás dos chips do seu celular e do seu notebook, cujos protótipos foram abertos, inspecionados e às vezes reparados com ele.
Sob um microscópio eletrônico, o trabalho de FIB aparece como caixas e trincheiras perfeitamente retangulares com paredes lisas e íngremes, muitas vezes com um fosso em forma de degraus na frente de uma face de seção polida.
Tiras de platina. Uma fina tira protetora de metal colocada sobre uma área cortada é uma assinatura típica do FIB.

Compare com

Fotolitografia13.2desenha um wafer inteiro de uma vez por uma máscara; o FIB escreve um ponto por vez sem máscara, muito mais lento, mas flexível.Usinagem a laser de femtossegundos13.6também remove material com precisão sem ferramenta, mas muito mais rápido e em escala de micrômetro em vez de nanômetro.Eletroerosão por penetração6.6remove metal com faíscas em escala de milímetro; o FIB remove átomos com íons.

Assista

Penn State MRI · Uma introdução clara de laboratório ao instrumento e ao que ele faz

AIF NC State University · Desbaste ao vivo, como visto na tela do operador

Covalent · Como uma fatia fina é cortada, soldada a uma sonda e retirada

PicoScientific · Imagem de fatiar e observar que reconstrói uma amostra em 3D

Veja fotos reais

Wikipedia: Feixe de íons focalizado — ilustrações da coluna de íons e de estruturas feitas por FIB
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Um feixe focalizado de íons de gálio remove átomos exatamente onde é apontado.
A mesma máquina desbasta, forma imagens e deposita metal, tudo em escala de nanômetro.
É uma ferramenta de análise, reparo e protótipos, lenta demais para a produção em massa.