Технология фокусированного ионного пучка
В современных исследовательских и аналитических РЭМ применяется технология фокусированного ионного пучка (ФИП, англ.: focused ion beam - FIB). Совмещая возможности РЭМ и ФИП в одной камере, электронно-ионные микроскопы (двухлучевые) предоставляет полный доступ к получению качественно новой информации. В то время как с помощью электронного пучка формируется изображение выбранной области, фокусированный ионный пучок, действуя как микрохирургический инструмент, локально модифицирует объект для углубленного изучения его внутренней структуры. Это дает возможность не ограничиваться просмотром только поверхности объекта, а наблюдать его трехмерную структуру, осаждать локально тонкие пленки материала на объект исследования, препарировать объекты в заданном участке для просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), а в наиболее современных моделях сканирующих электронных микроскопов объекты могут быть затем просмотрены в нем же в режиме ПЭМ без их переноса в другой электронный микроскоп.
В жидкометаллических источниках ионов используется галлий, так его температура плавления галлия ~ 30 °C. В галлиевом источнике нагретый металл соприкасается с вольфрамовой иглой и смачивает вольфрам, а большое электрическое поле (более 1∙108 В∙см-1) вызывает ионизацию и эмиссию ионов галлия. Затем ионы ускоряются до энергии в 5 - 50 кэВ и фокусируются на образец с помощью электростатической линзы. Ионы галлия ускоренные электрическим полем сталкиваются с поверхностью образца. Кинетической энергии ионов достаточно, чтобы «выбивать» атомы материала из образца. При малых токах удаляется небольшое количество материала. Достигается разрешение около 5 нм. При больших токах ионный пучок режет образец с субмикронной точностью.
Если образец изготовлен из непроводящего ток материала, то на его поверхности накапливаются ионы, которые отталкивают пучок ионов. Чтобы избежать этого, накопленный заряд нейтрализуется потоком электронов. ФИП последних разработок имеет собственную систему изображений, поэтому нет необходимости использовать электронный микроскоп для контроля процесса обработки.
Использование ФИП позволяет проводить изучение и анализ широкого спектра объектов в трех измерениях. Исследуются полупроводники, металлы, сплавы, полимеры, керамики, пластмассы и др. Совмещение техники ФИП с РЭМ в одном приборе расширяет сферу его применения и позволяет получать информацию об объектах, которая ранее была недоступной, за счет их модификации при осаждении или удалении материала.
Рис. 4. Микрошестерёнка из SiC диаметром 20 мкм
Технология остросфокусированного ионного пучка предоставляет широкие возможности по созданию разнообразных элементов микросистемной техники.. Так называемый “шаблон” травления создаётся встроенными программными средствами и задаётся в векторной или растровой форме. Микрошестерёнка (рис. 4) вытравлена на глубину в подвешенной балке толщиной 5 мкм из карбида кремния – алмазоподобного материала чрезвычайно устойчивого к внешним воздействиям. Время, затраченное на изготовление, не превышает 30 минут.
Таким образом, фокусированные пучки ионов в настоящее время используются для:
визуализации наноразмерных поверхностей;
ионной резки, с целью исследования внутренней структуры образца, исследовании внутренних дефектов;
высокоточная ионная обработка, включая ионную полировку, при изготовлении деталей микромеханизмов, оптики высших классов точности (точности долей длины волны), в микро- и наноэлектронике и др.;
для изготовления элементов различных прецизионных систем с заданной микро- и нанотопографией рельефа по-верхности;
для подготовки проб в просвечивающей электронной микроскопии атомного разрешения.
Современные РЭМ оснащены манипуляторами высокой точности позиционирования для вырезания ионным пучком участков образцов, их поворотов и перемещений, а также для локальных видов обработки и нанесения материалов внутри электронно-ионного микроскопа, склейки.