Ионный фрезерный станок
Ионное измельчение — это специализированный метод физического травления, который является важным шагом в подготовке методов анализа материалов. После того, как образец проходит ионное измельчение, поверхность становится намного более гладкой и четкой, что позволяет ученым гораздо легче изучать материал. Ионная мельница генерирует частицы высокой энергии для удаления материала с поверхности образца, подобно тому, как частицы песка и пыли истираются о камни в каньоне, создавая гладкую поверхность. По сравнению с другими методами ионное фрезерование вызывает гораздо меньше повреждений поверхности. [1] что делает его идеальным для поверхностно-чувствительных аналитических методов. В этой статье обсуждаются принцип, оборудование, применение и значение ионного измельчения.
Принципы
[ редактировать ]Ионное фрезерование работает на принципах распыления и эрозии . Распыление происходит, когда ионы высокой энергии бомбардируют поверхность образца. Ионы сталкиваются с атомами и молекулами на поверхности и отбивают поверхностные атомы. Когда ионы высокой энергии направляются на поверхность материала, происходит каскад столкновений . Ионы бомбардируют поверхность образца, и энергия передается от ионов к поверхностным атомам. Если переданная энергия превышает энергию связи атомов мишени, они вытесняются с поверхности. Выступающий материал имеет меньшую энергию поверхностного связывания и с большей вероятностью будет выброшен в результате распыления. [2] По мере продолжения процесса ионного измельчения поверхность образца медленно разрушается, в результате чего поверхность становится тонкой, плоской и без повреждений. Конкретных результатов можно добиться, изменяя угол падения ионов, энергию ионов и тип используемых ионов. [3]
Оборудование
[ редактировать ]Источник ионов
[ редактировать ]Источники ионов имеют основополагающее значение для ионного измельчения. Их конструкция и работа имеют решающее значение для получения точных результатов. Наиболее часто используемый источник ионов основан на радиочастотных (РЧ) источниках ионов и электрических полях постоянного тока (DC) для генерации и ускорения ионов из газа, обычно из благородного газа, такого как аргон или ксенон. Радиочастотные поля используются для ионизации, поскольку они обеспечивают высокую степень контроля и эффективности. Радиочастотные источники ионов могут эффективно производить ионы, создавая переменное радиочастотное электрическое поле в резонансной полости . RF использует частоту в несколько мегагерц, которая лучше всего подходит для большинства используемых газов. Радиочастотное поле заставляет газ повторять циклы ионизации и отрыва электронов, что создает плазму . [4] Переменное электрическое поле ионизирует газ, отрывая электроны и оставляя положительные ионы. Затем ионы ускоряются от плазмы с помощью постоянного электрического поля. Вытяжной электрод с постоянным электрическим полем ускоряет ионы по направлению к образцу за счет разницы напряжений между электродом и областью плазмы. [5] Синергия между радиочастотными и постоянными полями имеет решающее значение для оптимизации производительности источника ионов. Точная комбинация этих полей придает ионному пучку необходимые ему характеристики, такие как энергия и ток. [5]
Держатель образца
[ редактировать ]Чтобы гарантировать равномерную эрозию поверхности, образец необходимо удерживать на месте во время работы ионной мельницы. Поверхность самого образца должна быть практически ровной и чистой. Перед ионным фрезерованием поверхность должна быть достаточно ровной, поскольку при этом процессе не удаляется много материала. Если поверхность образца загрязнена или на ней имеются другие частицы, ионная мельница будет работать с верхним слоем, а не с фактической поверхностью образца.
Вакуумная система
[ редактировать ]Для достижения оптимальных результатов фрезерования образец должен находиться в условиях высокого вакуума. Вакуум гарантирует, что частиц воздуха будет мало, которые могут помешать ионному лучу. Таким образом, вся энергия энергетического луча может быть передана на поверхность с гораздо меньшими потерями энергии. [6]
Анализ
[ редактировать ]Анализ и мониторинг процесса ионного измельчения имеют решающее значение для достижения желаемых результатов и обеспечения качества результатов. Существует множество методов и инструментов, позволяющих просматривать ключевые параметры во время ионного измельчения.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
[ редактировать ]СЭМ используется для анализа морфологии поверхности образцов после ионного измельчения. СЭМ-изображение используется для оценки удаления материала, шероховатости поверхности и особенностей поперечного сечения. [7]
Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС)
[ редактировать ]После измельчения образцов проводится элементный и изотопный анализ с использованием SIMS . После того, как первичные ионы попадают на поверхность, во время бомбардировки поверхности высвобождаются вторичные ионы и частицы. Ученые могут собрать исчерпывающие данные о составе материала, поняв, какие ионы используются при измельчении, а какие вторичные ионы высвобождаются. [90]
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
[ редактировать ]XPS используется для анализа химического состава поверхности. Рентгеновские лучи используются для облучения образца и измерения энергии испускаемых фотоэлектронов. XPS оценивает химический состав поверхности и может обнаружить любые химические изменения, вызванные ионным измельчением. Этот процесс может показать, какой ущерб ионное измельчение нанесло поверхности после ионной бомбардировки. [8]
Методы мониторинга на месте
[ редактировать ]Методы мониторинга на месте наблюдают за процессом ионного измельчения в режиме реального времени. Одним из видов мониторинга на месте является оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС). ОЭС контролирует излучение света во время ионного измельчения и дает информацию о плазме. [9]
Приложения
[ редактировать ]Электронная микроскопия
[ редактировать ]Ионное измельчение можно использовать для утончения образцов до достижения электронной прозрачности в просвечивающей электронной микроскопии ( ПЭМ ). [3]
Микроэлектроника
[ редактировать ]Точное ионное фрезерование поверхности без повреждений делает его идеальным для точного изготовления полупроводников. Использование ионного фрезерования в микроэлектронике позволяет создавать четкие особенности и узоры на полупроводниковых пластинах . [10]
Поперечный анализ
[ редактировать ]Ионное измельчение можно использовать для создания образцов поперечного сечения материалов. В поперечном сечении показаны границы раздела, структура слоев и дефекты материала.
Выравнивание и полировка поверхности
[ редактировать ]Ионное фрезерование способно удалять несколько атомов за раз, что позволяет создавать гладкие и полированные поверхности на определенных материалах. Повышение качества поверхности имеет решающее значение во всем, что требует точности, например, в оптике или полупроводниках.
Преимущества и ограничения
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]- Ионное фрезерование обеспечивает точный контроль удаления материала
- Низкое повреждение образца
- Улучшенные поверхности для дальнейших процессов
Ограничения
[ редактировать ]- Длительное время обработки более толстых образцов.
- Возможность ионно-индуцированного повреждения
- Потребность в специальном оборудовании и опыте [1]
Заключение
[ редактировать ]Ионное измельчение произвело революцию в области материаловедения и машиностроения, позволив исследователям и ученым получать высококачественные образцы для расширенного анализа материалов. Его применение в различных отраслях промышленности и роль в развитии микроэлектроники делают его незаменимым инструментом для современных исследований и разработок.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Б. Чепмен, А.Р. Инамдар и Д.С. Джой. (1999). «Приготовление образцов композиционных материалов для трансмиссионной электронной микроскопии». Характеристика материалов , 43(1), 53–59.
- ^ Р. Бериш, Распыление бомбардировкой частиц I. Берлин: Springer-Verlag, 1981.
- ^ Jump up to: а б С. Хофманн и М. Лю. (2003). «Достижения в области методов ионного измельчения для электронной микроскопии высокого разрешения». Микрон , 34(2), 117–123.
- ^ Чанг, Д.Х.; Чон, Ш.; Ким, ТС; Парк, М.; Ли, КВ; В, С.Р. (2014). «Ход разработки радиочастотного источника ионов для инжектора нейтрального пучка в термоядерных устройствах». Обзор научных инструментов . 85 (2): 02Б303. Бибкод : 2014RScI...85bB303C . дои : 10.1063/1.4826076 . ПМИД 24593580 .
- ^ Jump up to: а б Цзинь, Цянь Ю.; Лю, Ю Г.; Чжоу, Ян; У, Ци; Чжай, Яо Дж.; Сунь, Лян Т. (2021). «Исследование источников радиочастотных и микроволновых ионов в Институте современной физики» . Плазма . 4 (2): 332–344. дои : 10.3390/plasma4020022 .
- ^ А. Хоуи, Д.Б. Уильямс и член парламента Сих. (1988). «Королевское микроскопическое общество и развитие просвечивающей электронной микроскопии». Исследования и техника микроскопии , 9 (3), 202–215.
- ^ Велтон, РФ; Штокли, депутат; Мюррей, С.Н.; Карр, Дж.; Кармайкл, Дж.; Гулдинг, Р.Х.; Байты, ФРВ (2007). «Развитие источника ионов в SNS». Материалы конференции AIP . Том. 925. стр. 87–104. дои : 10.1063/1.2773649 .
- ^ CD Wagner и GE Muilenberg, Справочник по рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии: Справочник стандартных данных для использования в рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии . Иден Прейри, Миннесота: Отдел физической электроники, Perkin-Elmer Corp., 1979.
- ^ М. Е. Томпсон и др., «Оптическая эмиссионная спектроскопия радиочастотной аргоновой плазмы для ионно-лучевого осаждения», Journal of Vacuum Science & Technology A, vol. 12, нет. 3, стр. 453–457, май/июнь. 1994.
- ^ «Ионное измельчение», Nanoscience Instruments, https://www.nanoscience.com/techniques/ion-milling/#:~:text=Semiconductor%20Manufacturing%3A%20Ion%20milling%20is,in%20an%20extremely%20control %20fashion (по состоянию на 9 ноября 2023 г.).
- Дж. Гольдштейн и др. , Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, 2018.