Focused-Ion-Beam-Mikroskop

Foto eines FIB-Arbeitsplatzes

Ein Focused Ion Beam (Abk.: FIB; englisch für „fokussierter Ionenstrahl“) ist ein Gerät zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Steht der Materialabtrag im Vordergrund, heißt das Verfahren auch Ionendünnung. Wenn die Abtastung der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts durch den Ionen-Strahl primär als bildgebendes Verfahren eingesetzt wird, dann spricht man auch von einem Focused-Ion-Beam-Mikroskop.

Arbeitsprinzip

FIB ist ein Gerät, das neben der Möglichkeit der Abbildung von Objekten ähnlich einem Rasterelektronenmikroskop (REM) noch über die zusätzliche Möglichkeit der Manipulation an den Oberflächen durch das kontrollierte Abtragen von Oberflächenschichten bzw. Aufbringen von Materialien wie Wolfram, Platin als Leiter und Siliziumoxid als Nichtleiter auf Oberflächen verfügt.

An Stelle der Elektronen werden Ionen, meist Gallium oder Helium, als „abbildender“ Strahl genutzt. Diese Ionen werden typischerweise mit Spannungen von 5-50 kV beschleunigt und erreichen im FIB etwa Stromstärken von 2 pA bis zu 20 nA.

Der Ionenstrahl wird mit Hilfe elektrostatischer Linsen auf eine Fläche mit einem Durchmesser von einigen Nanometer fokussiert, dieser "Punkt" wird zeilenweise über die Oberflächen geführt. Dabei treten Sekundär-Elektronen aus der Oberfläche aus, die detektiert werden und eine Abbildung der Oberfläche ermöglichen. Daneben kann auch die Intensität des durch die Probe durchgehenden Strahles und des von der Probe reflektierten Strahles gemessen werden.

Bei einem Focused-Ion-Beam-Mikroskop wird aufgrund der kurzen De-Broglie-Wellenlänge der Ionen eine feinere Auflösung als bei Verwendung von Elektronen erreicht. Ebenfalls aufgrund der größeren Masse sind die Ionen unempfindlicher gegenüber ladungsbedingten Artefakten.

Zum Einsatz kommt häufig Gallium wegen der guten Erzeugbarkeit von Ionen mittels einer Flüssigmetall-Ionen-Quelle (liquid metal ion source, LMIS). Gallium wird mittels einer Wolframnadel bis zum Schmelzpunkt erhitzt und in einem Feldemissionsprozess der Ionenstrahl gewonnen. Daneben sind auch Helium oder Neon üblich^[1].

Wechselwirkungen des Ionenstrahls

Wechselwirkung mit der (Proben-)Oberfläche

Foto einer Abtragstruktur, erzeugt durch FIB-Behandlung (Galium) eines Magnesium-Einkristalls

Im Gegensatz zum Elektronenstrahl ist die Wechselwirkung des Ionenstrahls mit der Oberfläche deutlich stärker und es kommt bei dem Abtasten zu Schäden an der Oberfläche durch einen Sputterprozess. Dies wird durch die Verwendung leichter Ionen wie Helium minimiert oder (bei Gallium beispielsweise) gezielt eingesetzt, um Materialien im Nanometermaßstab zu bearbeiten. Es kommt dann zu weiteren Oberflächenprozessen, wie der Einlagerung von Gallium und zur Amorphisierung der Oberfläche.

Weiterhin können sich, analog zu Kristall-Wachtumsstrukturen, sogenannte Abbaustrukturen bilden. So werden Ketten von Schraubenversetzungen z.B. als Spiralen sichtbar^[2].

Wechselwirkung mit Prozessgasen

Werden Prozessgase in den Ionenstrahl geleitet, z. B. eine komplexe Platinverbindung ((CH₃)₃CH₃C₅H₉Pt), können auch Strukturen aufgebaut werden. Dabei werden die Prozessgase in einen nichtflüchtigen Teil (im Beispiel hier Platin) und einen flüchtigen Anteil aufgespalten, das Platin wird dabei an der Oberfläche angelagert.

Andere Prozessgase, wie zum Beispiel Wasser, Jod oder Xenondifluorid erhöhen die Ätzselektivität und erlauben ein Ätzen oder ein besseres Abtragen der Materialien. Mit Jod kann Aluminium und mit Xenondifluorid Siliziumoxid geätzt werden.

Anwendungen

Anwendung findet die FIB-Technologie in der Halbleiterindustrie, hauptsächlich zur Fehleranalyse, und in der Forschung. Dort werden Proben für weitere Untersuchungen vorbereitet (z.B. für die Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskop (TEM), oder Strukturen hergestellt, die weiter untersucht werden können. Die Möglichkeit, Querschnitte in Materialien herzustellen und dabei extrem geringe mechanische oder thermische Störung zu erzeugen, ermöglicht es, empfindliche Schichten in der Materialforschung besser beurteilen zu können.

Weiterhin kann die manipulative Wirkung eines Ionenstrahls gezielt zur Ionenimplantation z. B. in Halbleiterstrukturen genutzt werden. Eine konkrete Anwendung ist die Strukturierung von Rückkopplungsgittern auf Laserdioden durch gerasterte Implantation von Dotierstoffen^[3].

Cross Beam bzw. Dual Beam (FIB + REM)

Wird eine FIB-Anlage mit einem Elektronenmikroskop kombiniert, erhält man eine „dual beam“ (Zweistrahl-) oder „cross beam“ Anlage (mit gekreuzten Strahlen), die das gleichzeitige Beobachten und Bearbeiten von Materialien ermöglicht. Hiermit ist es möglich, zielgenau Defekte (z.B. in einzelnen Transistoren von ICs) oder interessante Punkte an einer Probe zu präparieren.

Siehe auch

Helium-Ionen-Mikroskop

Einzelnachweise

1. ↑ Funktionsbeschreibung des Helium-Ionen-Mikroskops mit Ausblicken auf das FIB
2. ↑ Realstruktur von Kristallen (1995), J. Bohm, 150 ff. ISBN 3-510-65160-X
3. ↑ Harald König: Verstärkungsgekoppelte InGaAsP/InP-DFB-Halbleiterlaserdioden basierend auf Gitterstrukturierung durch fokussierte Ionenstrahllithographie, Dissertation, Shaker 2002

Weblinks

Hersteller

• TESCAN Dual beam
• FEI Dual beam
• Zeiss CrossBeam

Service Anbieter

• EO Elektronen-Optik-Service GmbH
• Rood Technology Deutschland GmbH + Co, Nördlingen, Germany
• DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen bzw. dem Laboratorium für Elektronenmikroskopie an der Universität Karlsruhe
• MiPlaza Materials Analysis, Eindhoven, die Niederlande

Weitere Infos

• European Focused Ion Beam Users Group (EFUG)
• Arbeitskreis FIB (TU-Graz)