Tecnologia Focused Ion Beam

Inizialmente sviluppata per soddisfare la domanda dell’industria dei circuiti integrati (IC), la tecnologia Focused Ion Beam (FIB) ha trovato recentemente applicazione come tecnica di microfabbricazione su scala sub-micrometrica [45]. M.J.Vasile et al.[46] forniscono un utile panoramica delle applicazioni

FIB in micro machining. Recentemente, i sistemi FIB hanno raggiunto risoluzioni spaziali paragonabili ai tradizionali microscopi a scansione elettronica (SEM), ottenendo un ruolo di tutto rispetto come strumenti di visione (“imaging”) , in aggiunta alle capacità di sezionamento e deposizione [47]. Infine i sistemi FIB hanno di recente attratto l’interesse dei ricercatori di scienze dei materiali come tecnica analitica: il bombardamento con ioni produce infatti effetti che possono essere esplorati dal microscopio.

I sistemi FIB si basano sull’utilizzo di sorgenti ioniche metalliche liquide (LMIS), generalmente sorgenti di ioni Gallio (Ga+) ad alta brillantezza a energie tipiche comprese tra 4 keV and 50 keV. Nella sorgente liquida è immerso un ago di Tungsteno (W). Il Ga bagna l’ago e fluisce verso la punta. Un elevato campo elettrico di estrazione (108 V/cm) è usato per spingere il Ga liquido nell’estremità conica il cui raggio è intorno a 5–10 nm. Gli ioni emessi per effetto del campo ionizzante sono post ionizzati e accelerati all’interno della colonna ionica. I sistemi FIB tipicamente operano con tensioni di accelerazioni comprese tra 5 and 50 keV. Agendo sulle lenti elettrostatiche e sulla dimensione effettiva dell’apertura della colonna ionica, la densità di corrente del fascio ionico (e quindi il diametro del fascio) possono essere variati da 5 nm fino a 5 µm. In fig. 3.5 sono mostrati gli schemi della colonna FIB e della LMIS.

Figura 3.5: Schemi della colonna (sulla sinistra) e della LMIS (sulla destra) di un sistema FIB

Quando gli ioni ad alta energia colpiscono la superficie del campione solido, essi cedono la loro energia agli elettroni e agli atomi del solido. Gli effetti fisici risultanti sono (fig. 3.6):

- lo sputtering degli atomi neutri o ionizzati del substrato: questo effetto permette il milling di un substrato solido;

- l’emissione di elettroni, su cui si basa l’imaging;

- lo spostamento di atomi nel solido che induce difetti o danni puntuali nel reticolo solido; - l’emissione di fotoni che induce il riscaldamento del campione.

Figura 3.6: schema degli effetti indotti dal bombardamento di una superficie particelle ioniche ad alta energia

Le componenti principali di un sistema FIB oltre la colonna ionica, sono la camera di lavoro, il sistema di iniezione del gas, il sistema del vuoto e la stazione di lavoro (interfaccia con l’operatore). Il vuoto all’interno della colonna e della camera di lavoro è mantenuto attraverso un sistema di pompe. Il sistema di iniezione del gas permette di rilasciare differenti tipi di gas usati per deposizione di metalli e per isolanti (gas assisted deposition) e per il milling (gas assisted etching).

I processi realizzabili con un sistema FIB sono essenzialmente tre: l’imaging, il milling e la deposizione.

Imaging

In una immagine FIB molti meccanismi di contrasto interagiscono simultaneamente e generalmente i dettagli di un immagine possono essere migliorati aumentando o diminuendo l’effetto di un particolare meccanismo. I meccanismi di contrasto sono essenzialmente tre (lo channeling, il contrasto di tensione e il contrasto topografico) e sono ampiamente descritti in letteratura [48].

In particolare nei materiali cristallini lo channelling è adoperato per la caratterizzazione della struttura granulare (fig. 3.7 a). Il contrasto di tensione è usato principalmente per visualizzare componenti elettronici basandosi sulla differenza di brillantezza degli strati di isolante e conduttore (fig. 3.7 b). Il contrasto topografico invece permette, attraverso caratteristiche di profondità, di riprodurre meglio la forma dell’oggetto (figura 3.7 c).

Figura 3.7: a) Immagine FIB di una scavo realizzato via FIB milling. b) Immagine FIB di una sezione trasversale di un componente elettronico. c) Immagine FIB della punta del cantilever di un AFM.

Milling

In un sistema FIB la rimozione del materiale avviene usando un fascio ionico ad alta corrente [49]. Il risultato è lo sputtering fisico del materiale. La risoluzione del processo di milling è di poche decine di nanometri. L’aspect - ratio dei fori realizzati via milling è tra 10–20. I sistemi FIB rappresentano sistemi unici di microfabricazione di strutture tridimensionali offrendo una combinazione di visione in tempo reale e di microfabbricazione in un unico strumento. Inoltre la possibilità di produrre fasci ionici di 10 nm rende il sistema un dispositivo di nano fabbricazione. Un esempio di foro realizzato su una sfera sub-micrometrica è mostrato fig. 3.10. Molti altri esempi sono riportati in letteratura [50]. L’ampio campo di variabilità della dimensione dello spot (10-500 nm) e della corrente di lavoro rende il sistema FIB uno strumento ideale sia per la micro che per la nano ingegneria.

Alcuni problemi pratici del milling sono i lunghi tempi di lavorazione per rimuovere larghi volumi di materiale e gli effetti di rideposizione del materiale che incidono sulla risoluzione della lavorazione [51]. Tali problemi possono facilmente essere ridotti ricorrendo al FIB assisted etching: irradiando il campione in un ambiente con un gas reattivo, è possibile aumentare la velocità di rimozione fino a centinaia di volte rispetto al milling.

Figura 3.8: Foro (200 nm in diametro) realizzato per FIB milling in una sfera sub-micrometrica.

Gas assisted deposition

I sistemi FIB consentono la deposizione (senza mascheratura) sia di metalli che di isolanti. Il principio base e le reazioni coinvolte sono simili a quelle coinvolte nella Laser induced CVD [52]. Platino (Pt) and tungsteno (W) sono i metalli tipicamente depositati mentre il biossido di silicio (SiO2) è il tipico

isolante. Per la deposizione del W il gas precursore è W(CO)6; per il SiO2 i tipici precursori sono 1, 3,

5, 7-tetramethylcyclotetrasiloxane (TMCTS) e ossigeno (O2) o vapor d’acqua. (H2O). Il processo ha

alta risoluzione (minima dimensione laterale dell’ordine di 100 nm e spessori sotto i 100 nm) ma bassa velocità di deposizione (intorno a 0.05 µm3 s-1). In fig. 3.9 sono riportati alcuni esempi di deposizione via gas assisted deposition di complesse strutture tridimensionali (aspect-ratio intorno a 10-20).

Figura 3.9: Esempi di deposizioni tridimensionali realizzare via FIB.

Figura 3.10: Foto del sistema FIB FEI 200 disponibile presso il laboratorio CRIM

Dispositivo FEI 200 focused ion beam

Metodo di microfabbricazione Milling (o sputtering) localizzato e deposizione per _{focused ion beam} Materiali/Applicazioni Conduttori e isolanti

Dimensione tipica Min/Max (axis travel) Dal sub-micron al millimetro

Tolleranza 50 nm

Tabella 3.6: informazioni tecniche del sistema FIB FEI 200

La fig. 3.10 mostra il sistema FIB disponibile presso il laboratorio CRIM. In tab. 3.6 sono riportate le principali informazioni tecniche della macchina.