Chùm ion hội tụ (FIB)

Cách hoạt động

1. 1

   Tạo ion. Gali lỏng thấm ướt một kim có đầu rất nhọn. Điện trường mạnh kéo ion gali (nguyên tử mất một điện tử, nên mang điện tích) ra khỏi đầu kim.

2. 2

   Tăng tốc và hội tụ. Các ion được tăng tốc, thường đến khoảng 30 kV, và thấu kính điện (vòng mang điện làm cong đường đi của hạt mang điện) ép chúng thành điểm nhỏ cỡ vài nanomet. Khẩu độ (lỗ nhỏ) quyết định số ion đi qua: nhiều ion hơn cắt nhanh hơn nhưng điểm rộng hơn.

3. 3

   Quét. Các tấm quét lái chùm tia ngang bề mặt theo mẫu đã lập trình, như đường chạy dao CNC siêu nhỏ.

4. 4

   Phay. Mỗi ion đập vào bề mặt như một viên đạn pháo vi mô và đánh bật vài nguyên tử. Việc này gọi là phún xạ (sputtering). Lượt này đến lượt khác, chùm tia đào rãnh, lỗ hoặc mặt cắt với thành chính xác đến hàng chục nanomet.

5. 5

   Chụp ảnh. Các va chạm cũng đánh bật điện tử. Một đầu dò thu chúng để tạo hình ảnh, như kính hiển vi điện tử quét; hầu hết máy cũng có cột điện tử thực thụ để chụp nhẹ nhàng hơn.

6. 6

   Lắng đọng hoặc nhấc ra. Một kim phun khí chứa bạch kim hoặc vonfram. Nơi chùm tia chạm vào, khí phân hủy và để lại lớp kim loại lắng đọng, dùng để đi lại dây cho chip hoặc hàn một lát mỏng vào đầu dò nhỏ và nhấc nó ra.

Thông số chính

Vật liệu

Gần như mọi thứ trong chân không: silic, kim loại, gốm, thủy tinh, polyme, mẫu sinh học đông lạnh

Chi tiết thường gặp

Mặt cắt và sửa chữa chip, lát mỏng (lamella) cho kính hiển vi điện tử, hoa văn nano, đầu dò nhỏ

Kích thước chi tiết

Chi tiết từ khoảng 10 nm đến hàng chục micromet, trên mẫu từ vài milimet đến cả wafer

Độ chính xác

Khoảng mười đến vài chục nanomet

Bề mặt hoàn thiện

Mặt cắt rất nhẵn; bề mặt giữ lại một ít gali cấy vào và một lớp mỏng bị hư hại

Số lượng phù hợp

Đơn chiếc: phân tích, sửa chữa, mẫu thử

Chi phí khuôn dụng cụ và máy

Không cần khuôn dụng cụ; thiết bị tốn từ vài trăm nghìn đến vài triệu đô la

Tốc độ

Rất chậm: loại bỏ một khối rộng vài micromet có thể mất vài phút đến vài giờ

Ưu điểm và hạn chế

Ứng dụng

• Chất bán dẫnPhân tích hỏng hóc, mặt cắt chip lỗi, chỉnh sửa mạch trên mẫu thử
• Kính hiển viLát mỏng cho kính hiển vi điện tử truyền qua
• Khoa học vật liệuChụp ảnh 3D "cắt và xem" kim loại, pin, đá
• Chế tạo nanoHoa văn nano, lỗ nano, đầu kim cho kính hiển vi đầu dò
• Khoa học đời sốngLát mỏng tế bào đông lạnh (cryo-FIB)

Cách nhận biết

• Bạn không thấy được. Các đường cắt FIB quá nhỏ với mắt thường; bạn sẽ không bao giờ thấy một đường nào trên sản phẩm. Công việc của nó nằm sau các con chip trong điện thoại và laptop của bạn, mà mẫu thử của chúng đã được cắt mở, kiểm tra và đôi khi sửa chữa bằng nó.
• Dưới kính hiển vi điện tử, công việc FIB hiện ra như những hộp và rãnh hình chữ nhật hoàn hảo với thành nhẵn, dốc, thường có một hố hình bậc thang phía trước mặt cắt đã đánh bóng.
• Dải bạch kim. Một dải kim loại bảo vệ mỏng đặt trên vùng cắt là dấu hiệu FIB điển hình.

So sánh với

Xem video

Introduction to Focused Ion Beam (FIB)

Penn State MRI · Phần giới thiệu phòng thí nghiệm rõ ràng về thiết bị và công dụng của nó

Basic Focused Ion Beam Demo

AIF NC State University · Phay trực tiếp, xem trên màn hình người vận hành

Overview of STEM Lamella Preparation

Covalent · Cách một lát mỏng được cắt, hàn vào đầu dò và nhấc ra

3D Reconstruction in a Tescan FIB/SEM Nano-Workstation

PicoScientific · Chụp ảnh cắt-và-xem dựng lại mẫu trong 3D

Xem ảnh thật

• Wikipedia: Chùm ion hội tụ — hình minh họa cột ion và cấu trúc làm bằng FIB
• Tìm ảnh trên Wikimedia Commons