Урок 13.5Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Фокусированный ионный пучок (FIB)

Обрабатывает или наращивает материал пучком ионов под микроскопом

Фокусированный ионный пучок (FIB) — это наномасштабный пескоструй: пучок ионов галлия, сфокусированный в пятно шириной в несколько нанометров, выбивает атомы с поверхности по одному крошечному участку. Тот же пучок может также делать снимки и, с небольшим количеством газа, строить крошечные металлические структуры. Производители микросхем используют его, чтобы вскрывать и ремонтировать чипы, а учёные — чтобы срезать образцы, достаточно тонкие для электронных микроскопов.

Фото: Cm the p, CC BY-SA 3.0, через Wikimedia Commons

Колонна фокусированного ионного пучка и образец в разрезе · 6 шаговНа рисунке разрез ионной колонны и образца под ней; цифры в кружках соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Создать ионы. Жидкий галлий смачивает иглу с очень острым кончиком. Сильное электрическое поле вытягивает ионы галлия (атомы, потерявшие электрон и поэтому несущие электрический заряд) с кончика.
Разогнать и сфокусировать. Ионы разгоняют, обычно примерно до 30 кВ, а электрические линзы (заряженные кольца, искривляющие траектории заряженных частиц) сжимают их в пятно размером всего в несколько нанометров. Апертура (небольшое отверстие) задаёт, сколько ионов проходит: больше ионов режут быстрее, но пятно шире.
Сканировать. Сканирующие пластины ведут пучок по поверхности по запрограммированному рисунку, как крошечная траектория инструмента с ЧПУ.
Фрезеровать. Каждый ион бьёт по поверхности, как микроскопическое пушечное ядро, и выбивает несколько атомов. Это называется распылением. Проход за проходом пучок роет канавки, отверстия или срезы со стенками с точностью до десятков нанометров.
Получить изображение. Удары также выбивают электроны. Детектор собирает их и строит картинку, как в растровом электронном микроскопе; большинство машин несут и настоящую электронную колонну для более бережной съёмки.
Осадить или извлечь. Игла распыляет газ с платиной или вольфрамом. Там, куда попадает пучок, газ разлагается и оставляет металлический осадок, используемый для перемонтажа чипов или чтобы приварить тонкий срез к крошечному зонду и поднять его.

Ключевые факты

Материалы: Почти всё в вакууме: кремний, металлы, керамика, стекло, полимеры, замороженные биологические образцы
Типичные детали: Срезы и ремонт чипов, тонкие срезы (ламели) для электронных микроскопов, наноузоры, наконечники крошечных зондов
Размер детали: Элементы от около 10 нм до десятков микрометров, на образцах от нескольких миллиметров до целой пластины
Точность: Около десяти — несколько десятков нанометров
Качество поверхности: Очень гладкие грани реза; на поверхности остаётся немного внедрённого галлия и тонкий повреждённый слой
Подходящая партия: Единичные изделия: анализ, ремонт, прототипы
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка не нужна; приборы стоят от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов
Скорость: Очень медленно: удаление куба в несколько микрометров может занять от минут до часов

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Режет точно там, где вы выбираете, в нанометровом масштабе, без маски
Фрезерует, получает изображение и осаждает в одной машине
Работает почти с любым твёрдым материалом
Может ремонтировать или перемонтировать готовый чип

Ограничения

Очень медленно; только крошечные объёмы
Ионы галлия внедряются в поверхность и повреждают её
Дорогой прибор, вакуум и квалифицированный оператор
Последовательно, по одной точке: не подходит для производства

Где применяется

ПолупроводникиАнализ отказов, срезы неисправных чипов, правка схем на прототипах
МикроскопияТонкие срезы для просвечивающих электронных микроскопов
Материаловедение3D-визуализация методом «срез и просмотр» металлов, аккумуляторов, горных пород
НанопроизводствоНаноузоры, нанопоры, наконечники для зондовых микроскопов
Науки о жизниТонкие срезы замороженных клеток (крио-FIB)

Как узнать процесс

Его не видно. Резы FIB слишком малы для глаза; вы никогда не заметите их на изделии. Его работа скрыта за микросхемами в вашем телефоне и ноутбуке, чьи прототипы были вскрыты, проверены и иногда отремонтированы с его помощью.
Под электронным микроскопом работа FIB видна как идеально прямоугольные коробки и канавки с гладкими крутыми стенками, часто с ступенчатым углублением перед полированной гранью среза.
Платиновые полоски. Тонкая защитная металлическая полоска, нанесённая поверх обрабатываемого участка, — типичная подпись FIB.

Сравните с

Фотолитография13.2формирует рисунок сразу на всей пластине через маску; FIB пишет по одной точке без маски, намного медленнее, но гибко.Обработка фемтосекундным лазером13.6тоже точно удаляет материал без инструмента, но намного быстрее и в масштабе микрометров, а не нанометров.Электроэрозионная прошивка6.6удаляет металл искрами в миллиметровом масштабе; FIB удаляет атомы ионами.

Смотрите

Penn State MRI · Понятное лабораторное введение в прибор и его возможности

AIF NC State University · Фрезерование вживую, как оно видно на экране оператора

Covalent · Как тонкий срез вырезают, приваривают к зонду и поднимают

PicoScientific · Визуализация «срез и просмотр», восстанавливающая образец в 3D

Смотреть реальные фото

Википедия: фокусированный ионный пучок — иллюстрации ионной колонны и структур, созданных FIB
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Сфокусированный пучок ионов галлия удаляет атомы точно там, куда нацелен.
Одна и та же машина фрезерует, получает изображение и осаждает металл — всё в нанометровом масштабе.
Это инструмент для анализа, ремонта и прототипов, слишком медленный для массового производства.