Haz de iones enfocado

Focused Ion Beam (también conocido como FIB, del Inglés Focused Ion Beam) es una técnica utilizada particularmente en los campos de los semiconductores y las Ciencias de los materiales para el análisis puntual, la deposición y la ablación de materiales. El FIB es un instrumento científico que se asemeja a un microscopio de barrido electrónico (SEM). Sin embargo, mientras que el SEM utiliza un haz enfocado de electrones para representar la muestra en la cámara, un FIB en su lugar utiliza un haz enfocado de iones.

Los más populares son los instrumentos que utilizan fuentes de iones de galio. El galio se elige porque es fácil hacer una fuente de iones de galio líquidos (LMSI). En un LMSI de galio, el metal de galio se coloca en contacto con una aguja de tungsteno y se calienta. El galio humedece el tungsteno, y un enorme campo eléctrico (mayor de 10 8 voltios por centímetro)hace que los átomos de galio emitan e ionicen. FIB también se puede agregar en un sistema con columnas de iones y electrones, lo que permite analizar el mismo aspecto utilizando ambos haces. Estos iones se aceleran a una energía de 5-50 KeV, y luego se enfocan en la muestra mediante lentes electrostáticas. Una FIB moderna es capaz de enviar una corriente de decenas de nanoamperios a la muestra, y puede representar una muestra con un tamaño de punto de nanómetros. A diferencia del microscopio electrónico, la FIB es inherentemente destructiva para la muestra. Cuando los iones de galio de alta energía golpean la muestra, salpican átomos de la superficie. Los átomos de galio también se implantarán en los pocos nanómetros superiores, y la superficie se volverá amorfa.

Debido a su capacidad de pulverización, FIB se utiliza como una máquina herramienta micrométrica, para modificar o procesar materiales en una escala micro o nanométrica. El mecanizado micrométrico de fib se ha convertido en un campo vasto, pero el mecanizado nanométrico de fib es un campo que aún necesita desarrollo. El tamaño actual del haz más pequeño es de 4-6 nm. El equipo FIB está diseñado para grabar o trabajar superficies, una FIB ideal podría abradar una capa de átomos sin ninguna ruptura de la capa contigua de átomos, o cualquier ruptura en la superficie. Pero actualmente debido a la pulverización catódica mecanizado normalmente rugosa superficies en una escala submicrométrica. FIB también se puede utilizar para depositar material a través de una sedimentación inducida por haz iónico. Una deposición de vapor asistida por fib ocurre cuando un gas, como el carbono de tungsteno (W (CO) 6), se introduce en la cámara de vacío y se permite que se adsorba en la muestra. Al escanear un área con el haz, el gas reactivo se descompondrá en componentes volátiles y no volátiles, el componente no volátil, como el tungsteno, permanecerá en la superficie como un depósito. Esto es útil, ya que el metal depositado se puede utilizar como una capa superficial, para proteger la muestra subyacente de la absorción química destructiva del haz. Otros materiales como el platino pueden ser depositados. FIB se utiliza a menudo en la industria de semiconductores para reparar o modificar mejor un dispositivo semiconductor existente. Por ejemplo, en un circuito integrado, un haz de galio podría usarse para cortar conexiones eléctricas no deseadas, o para depositar material conductor para hacer conexiones. FIB también se utiliza comúnmente para preparar muestras para el microscopio electrónico de transmisión (TEM). TEM requiere muestras muy delgadas, típicamente del orden de 100 nanómetros. Se pueden emplear otras técnicas, como la abrasión iónica o la limpieza electrolítica, para preparar tales muestras delgadas. Además, la resolución a nanoescala de la FIB permite la elección exacta de la región delgada. Esto es esencial, por ejemplo, en el análisis de fallas de circuitos integrados. Si un transistor particular de varios millones en un microcircuito integrado es defectuoso, la única herramienta capaz de preparar la muestra para la microscopía electrónica de ese transistor único es el FIB. La desventaja de la preparación de muestras por FIB es el daño superficial y la implantación, que producen efectos obvios cuando se utilizan técnicas como TEM para retratar la red cristalina a alta resolución o la espectrografía de las pérdidas de energía de electrones. Estos daños en la superficie se pueden minimizar mediante la abrasión del haz de iones focalizados de bajo voltaje, o mediante una mayor abrasión del haz de iones de argón de bajo voltaje después de completar el proceso de FIB. La preparación FIB también se puede utilizar con muestras congeladas criogénicamente en un instrumento adecuadamente equipado, lo que permite el análisis de secciones transversales de muestras que contienen líquidos o grasas, como muestras biofarmacéuticas, espumas, tintas o productos alimenticios. Las tecnologías FIB del futuro serán mucho más rápidas que las actuales que tienen un tiempo de inactividad de alrededor de 100 ns, lo que las hace demasiado lentas para la competencia directa en la producción de dispositivos electrónicos. Las nanoestructuras con un diámetro de 10 nm cultivadas en serie a través de una sola rebanada de silicio de 12 pulgadas tomarían más de dos años, sin considerar el tiempo para llevar la fibrilación de una nanoestructura a la siguiente. El tipo de trabajo de corte y rapel que FIB puede realizar también lo hará cada vez más indispensable. Los primeros sistemas FIB basados en tecnología de emisión de campo fueron desarrollados por Levi y Orloff y Swanson y emplearon fuentes de ionización de campo de gas, GFIS.

Otra fuente de iones que se puede encontrar en instrumentos disponibles comercialmente es una fuente de iones de helio, que es menos inherentemente perjudicial para la muestra que la fuente de iones de galio. Debido a que los iones de helio pueden enfocarse en una sonda más pequeña y causar una interacción mucho menor con la muestra de electrones en el SEM, el microscopio de iones de helio puede producir imágenes de igual o mayor resolución con un buen contraste de material y una mayor profundidad de enfoque. Los instrumentos en el mercado son capaces de resoluciones por debajo de 10nm.

8. Tescan Fib con doble columna electrónica e iónica (litografía y nanomanipuladores)

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