آمادهسازی نمونه برای تصویربرداری TEM با روش FIB

1- مقدمه
2- مروری بر سازوکار و عملکرد پرتو یونی متمرکز
3- کاربردهای FIB در آمادهسازی نمونه
4- آسیب FIB به نمونهها
5- پیشرفتهای انجام شده در دستگاه FIB
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
7-نتیجهگیری
1- مقدمه
FIB دستگاهی شبیه به میکروسکوپ الکترونی روبشی است، در هر دو دستگاه، تابش به سطح، سازوکار اصلی کار است به طوری که در SEM از الکترونهای ثانویه برای تولید تصویر استفاده شده و در FIB از یونهای ثانویه برای تصویربرداری استفاده میشود. البته در برخی دستگاههای FIB امکان تولید یون و الکترون فراهم است. از زمان کشف منبع یون فلزی مایع در سال 1957، پرتو یونی متمرکز به سرعت رشد کرده است و به ابزاری جذاب برای لیتوگرافی، حکاکی ، رسوبگذاری و دوپینگ تبدیل شدهاست. به این دلیل که پراکندگی یونها در گستره مگاالکترون ولت چندین مرتبه توانی کمتر از الکترونها است، به نظر میرسید که لیتوگرافی پرتو الکترونی بتواند شفافیتهای بهتری را ارائه کند. از میان منابع یونهای فلزی مایع، معمولا Ga و همچنین در میان آلیاژها، از آلیاژهای Au-Si-Be به دلیل طول عمر بلند و پایداری آنها بهعنوان پرتوهای یونی متمرکز استفاده میشود. لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز قابلیت تولید وسایل الکترونیکی با اندازه زیرمیکرونی را داراست.[1].
2- مروری بر سازوکار و عملکرد پرتو یونی متمرکز


یکی از تفاوتهای کاربردی FIB با SEM در آن است که FIB میتواند پرتوهایی با دانسیته جریان بالا تولید کند، این امر فرصت خوبی را برای برش زدن اجسام میکرومقیاس فراهم میکند. براین اساس، این دستگاه ابزار مناسبی برای آمادهسازی نمونههای شفاف برای مطالعه TEM است.[3].
ویژگیهای لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز عبارتند از:
- تابش بالا به رزیست (لایه مقاوم به تابش).
- حساسیت، که دو مرتبه توانی از لیتوگرافی پرتو الکترونی بیشتر است.
- پراکندگی قابل صرفنظر یونها در مقاومت.
- پراکندگی روبه عقب کم، از زیرلایه.
اچ کردن پرتو یونی متمرکز شامل اچ کردن اسپاترینگ فیزیکی و اچ کردن شیمیایی است. اچ کردن اسپاترینگ فیزیکی، مستقیم و رو به جلو است و به این صورت انجام میشود که پرتوهای یونی، منطقه مد نظر را بمباران میکنند تا ماده را از نمونه جدا کنند. ویژگیهای این روش، سادگی، قابلیت خودتنظیمی و قابلیت کاربرد برای هر گونه ماده است. اچ کردن شیمیایی برپایه واکنشهای شیمیایی بین سطح زیرلایه و مولکولهای گازی جذب شده روی زیرلایه است. اچ کردن شیمیایی ویژگیهای زیادی دارد: نرخ اچ کردن را افزایش میدهد، عدم بازرسوبی و آسیب حاصل از پسماند آن کم است.
از پرتو یونی متمرکز میتوان برای رسوبگذاری استفاده کرد. مانند اچ کردن، اینجا هم رسوبگذاری مستقیم و شیمیایی وجود دارد. در رسوبگذاری مستقیم از یونهایی با انرژی کم استفاده میشود در حالیکه رسوبگذاری شیمیایی، برپایه واکنشهای شیمیایی بین زیرلایه و مولکولهای جذب شدهاست.
لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز امتیازات بسیاری برای ساخت و پردازش نانوساختارهای مغناطیسی در مقایسه با لیتوگرافی پرتو الکترونی دارد. یونها اساسا سنگینتر از الکترونها هستند، بر این اساس پرتو یونی متمرکز کمتر از میدان مغناطیسی اثر میپذیرد. از ویژگیهای دیگر لیتوگرافی پرتو یونی متمرکز، قابلیت آن برای رسیدن به اچ کردن مستقیم و یا رسوبگذاری با استفاده از مراحل الگوگذاری است. نانوساختارهای مغناطیسی با استفاده از اچ کردن و رسوبگذاری پرتو یونی متمرکز ساخته شدهاند. بهعنوان نمونه، یک سر نانومغناطیسی حلقهای شکل با استفاده از اچ کردن پرتو یونی متمرکز ساخته میشود و فرآیند، با رسوبگذاری پرتو یونی متمرکز تنگستن مغناطیسی به داخل حفرههای اچ شده، ادامه مییابد.
یک منبع یون فلزی مایع، معمولا شامل یک منتشرکننده سوزنی با شعاع انتهایی 1-10µm است که با یک فلز دارای کشش سطحی بالا و فشار بخار پایین در دمای ذوبش، پوشش داده شدهاست. به منتشرکننده تا دمای ذوبش گرما داده میشود در حالیکه ولتاژ مثبتی روی آن نسبت به الکترود خروجی وارد میشود. با ایجاد تعادل بین نیروهای الکتروستاتیکی و کشش سطحی، فلز مایع به شکل یک مخروط در میآید که نوک مخروط مایع کاملاً کشیده و تیز است و میدان الکتریکی موجب بخار شدن یونها در میدان میشود. اینطور تصور میشود که نوک مخروط، شعاعی در حدود 5 نانومتر دارد. معمولترین فلز منبع استفاده شده Ga است. Au/Si و آلیاژهای Au/Si/Be به دلیل کمتر بودن جرم یونهای تولید شده با استفاده از این مواد، برای لیتوگرافی استفاده میشوند.
اولین ستون متمرکز کننده که از یک منبع یون فلز مایع استفاده میکرد به وسیله سلیگر و همکاران ساخته شد. این یکی از سادهترین ستونها است که شامل یک منبع یون، یک لنز الکتروستاتیکی تکی و یک منحرفکننده الکتروستاتیکی است. بعد از این دستگاه، ستونهای دیگری برای کابردهای گوناگون تهیه شدهاند. آنها را به سادگی میتوان به دو دسته تقسیم کرد:
- ستونهایی با ولتاژ شتابدهی کم (<50kV) و بدون جداسازی جرمی.
- ستونهایی با ولتاژ شتابدهی بالا (>100kV) به همراه جداکننده جرمی.
یونها از منبع یونی فلز مذاب، خارج شده و در یک روزنه با لنزهای متمرکزکننده، همکانون میشوند. حاصلضرب میدانهای الکتریکی و مغناطیسی بهصورت یک فیلتر سرعت عمل میکند و یونها را با دقت بالا و بر اساس جرم جداسازی میکند. فیلتر مذکور طوری تنظیم میشود که نمونههای یونی مدنظر از روزنه میانی و بقیه یونها از ستون اپتیکی عبور کند.
سپس لنز شیئی، پرتوهای دارای جرم مشخص را روی هدف، متمرکز میکند. چندین منحرف کننده الکتروستاتیکی برای تنظیم و تصحیح آستیگماتیسم دستگاه تعبیه شدهاند. این نوع ستون دو لنزی سعی در داشتن عمق کانونی کمتری نسبت به نوع یک لنزی دارد. چگالیهای جریان پرتو معمولا به اندازه یک ضریب (10) در زمانی که جریان منبع بین نمونهها تقسیم شده، کوچکتر است. نمونههای متفاوت، به دلیل تغییراتی که در انرژی توزیع شده بین نمونهها ایجاد میشود، چگالیهای جریان متفاوتی را هم تولید میکنند. همچنین نمونههای دوبار یونیزه شده نسبت ΔE/E مطلوبی دارند.
کاربردهای پرتو یونی شامل یک یا بیشتر از سه جنبه اساسی از برهمکنش بین یون و ماده میشود. اثر مدنظر پرتو یونی با یکی از سه روش ذیل بهدست میآید:
1- حضور یون وارد شده به جامد مثل کاشت یون.
2- برخورد نیمه الاستیک، بین یونهای پرانرژی و اتمهای ماده مخاطب به طوریکه انتقال تکانه منجر به جابجایی اتمها میشود مثل اسپاترینگ فیزیکی یا آسیب تشعشعی.
3- پراکندگی غیرالاستیک یونها با الکترونهایی در مخاطب که منجر به تغییرات شیمیایی میشوند مثل تابش به رزیست یا رسوبگذاری با تحریک یونی.
یونهای برخوردی همیشه در اثر برخورد، انرژی از دست میدهند و به طور ناگهانی به آرامش میرسند. سهم نسبی این آثار بستگی به نمونههای یونی، انرژی، در برخی موارد نرخ رسیدن (چگالی جریان) و خواص ماده مخاطب دارد. این آثار به دلیل استفاده وسیع کاشت یون برای ساخت مدارهای مجتمع به گستردگی مطالعه شدهاند؛ بنابر این دادههای جدولبندی شده گستره کارکرد یونها و کدهای شبیهسازی برای کار با یونها در جامدات به صورت آماده وجود دارد.
تعدادی آثار ثانویه در نتیجه تراکنش بین یون-جامد اتفاق میافتد. در حقیقت، بسیاری از روشهای پرتو الکترونی با این آثار ثانویه حاصل میشوند. وقتی یک یون پر انرژی، انرژی خود را در ماده از دست میدهد، برخوردها، انتشار الکترونهای ثانویه، یونهای ثانویه، فوتونها و اتمهای کنده شده را موجب میشوند. الکترونهای ثانویه برای ایجاد تصویر در میکروسکوپ یونی و یونهای ثانویه در طیفسنجی جرمی یون ثانویه استفاده میشوند. دوباره میزان و نسبت تولید این نمونههای ثانویه بستگی به پرتو یونی اولیه و جنس ماده مخاطب دارد.
پدیده بالا در همه بمبارانهای یونی جامدات معمول است. فناوری پرتو یونی متمرکز کاربردهای جدیدی در صنعت نیمههادی بهدست آورده است. برای مثال یک پرتو به خوبی متمرکز شده، میتواند الگوهای دلخواه را روی هدف ایجاد کند؛ بنابر این فرآیندهای بدون ماسک کاشت یون، جای فرآیندهای لیتوگرافی را میگیرند. همه کاربردهای پرتو یونی متمرکز معمولا از فرآیند بدون ماسک یا قابلیت شفافیت بالا بهرهمند میشوند. کاربردهای نشان داده شده را میتوان با توجه به فرآیند فیزیکی استفاده شده به شش گروه تقسیم کرد. این کاربردها عبارتند از:
1- کاشت
2- ماشین کاری
3- شیمی سطح (اچ کردن و لایهنشانی)
4- لیتوگرافی
5- میکروسکوپی
6- آنالیز مواد [4].
3- کاربردهای FIB در آمادهسازی نمونه
- روش برش مقطعی
- روش برداشت
مزیت این دو روش، سرعت آنها است که میتواند در زمانی بسیار کم، نمونهای مناسب برای میکروسکوپ الکترونی آماده کند. اما هر دوی این روشها منجر به خطاهایی میشوند. روش اول نیاز به آمادهسازی قبلی نیز دارد اما روش دوم (روش برداشت) بینیاز از آمادهسازی قبلی است. قدرت مانور برای خم کردن نمونه در روش برداشت، محدودیت کمتری نسبت به روش برش مقطعی دارد.
4- آسیب FIB به نمونهها
5- پیشرفتهای انجام شده در دستگاه FIB
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
نام دستگاه |
میکروسکوپ الکترونی عبوری |