FIB Focused Ion Beam

Transkript

1 FIB Focused Ion Beam Vortrag zum Seminarkurs 2005 (LS Schaltungstechnik und Simulation) von Tim Armbruster Seite 1

2 Inhalt Seite 2

3 Inhalt Kapitel 1 Aufbau einer Feinfokus-Ionenstrahlanlage 1.1 Grobaufbau eines Rasterelektronenmikroskopes (REM) 1.2 Einführung ins Focused-Ion-Beam-System (FIB) 1.3 Genauere Betrachtung der Flüssigmetallquelle (LMIS) 1.4 Genauere Betrachtung des FIB-Systems 1.5 Bilderzeugung durch Nutzung verschiedener Kontraste Kapitel 2 Strukturierung mittels fokussiertem Ionenstrahl 2.1 Auswirkung der auftreffenden Ionen 2.2 Abtragen von Material 2.3 Aufbringen von Material / Verwendung von Gasinjektion Kapitel 3 Probenherstellung für TEM 3.1 Aufbau des Transmissionselektronenmikroskopes (TEM) 3.2 Probenherstellung für TEM Kapitel 4 Siliziumchip als klassisches Anwendungsgebiet 4.1 Querschnitt durch einen Wafer 4.2 Abscheiden neuer Leiterbahnstrukturen 4.3 Herstellung von probe pads Kapitel 5 Zahlen und Fakten 5.1 Sonstige Anwendungsgebiete 5.2 Kostenbeispiele Anhang: Quellenangabe Seite 3

4 1. Aufbau einer Feinfokus-Ionenstrahlanlage Seite 4

5 1.1 Grobaufbau eines Rasterelektronenmikroskopes (REM) (1) Kathode Anode Ionensäule Quelle (Elektronenkanone) Beschleunigungsspannung: 8 30 kv Gut geeignet: Wolframdraht (SP 3422 C) Fokussierung In der Ionensäule herrscht ein Vakuum Verwendung von Magnetspulen/Kondensatorplatten Ablenkung der Elektronen durch mag./elektr. Feld Felder sind inhomogen und rotationssymmetrisch Kondensorlinsen Objektivlinse Endblende Synchronisation / Auswertung Seite 5

6 1.1 Grobaufbau eines Rasterelektronenmikroskopes (REM) (2) Rasterung / Bilderzeugung Elektronenstrahl wird mit äquidistanter Schrittgröße über die Probe gerastert Auftreffende Elektronen lösen Sekundärelektronen (SE) aus der Probe Intensität der Sekundärelektronen pro Pixel wird zur Kontrasterzeugung genutzt Maximale Auflösung etwa 5nm Ablenkspulen SE - Detektor Probenteller Synchronisation / Auswertung Seite 6

7 1.2 Einführung ins Focused-Ion-Beam-System (FIB) (1) Der wesentliche Unterschied zum Aufbau des REM besteht in der Verwendung einer Flüssigmetallquelle anstelle der Elektronenkanone. Die Auswirkung: Aus dem Elektronenstrahl wird ein Ionenstrahl Na und...? Die Masse eines Elektrons ist 2.000x x kleiner als die eines Ions! Bsp: Masse eines ruhenden Elektrons: 9,109 * kg absolute Masse eines Gallium-Ions: 1,157 * kg => Ein Gallium-Ion ist etwa x schwerer als ein Elektron! Seite 7

8 1.2 Einführung ins Focused-Ion-Beam-System (FIB) (2) Welchen Vorteil bringt die höhere Masse der beschleunigten Ionen? Die Ionen übergeben aufgrund ihrer hohen Masse beim Auftreffen auf ein Substrat erheblich mehr Energie als Elektronen. Ionen reißen Material heraus - Elektronen werden wie Bälle reflektiert. Massenvergleich: Elektronenstrahl zu Ionenstrahl = Regentropfen zu Meteoritenhagel (Regentropfen: (0,003m)^3 * 4/3π * 1000kg/m^3 = 0,113g => Meteorit: (entspricht bspw. Galliumion) * 0,113g = 14,36kg) Elektronenstrahl dient der Beobachtung / Analyse einer Oberfläche auf der Nanometerskala, der Ionenstrahl ermöglicht eine aktive Manipulation der Probe in der gleichen Größenordnung Die Verwendung von speziellen Gasen ermöglicht es, Material abzuscheiden. Ein Focused-Ion-Beam-System ist damit die Werkbank der Nanowelt Seite 8

9 1.3 Genauere Betrachtung der Flüssigmetallquelle (LMIS) (1) LMIS: liquit metal ion source Erzeugung des Ionenstrahls: Wolframspitze wird mit gewünschtem Metall bedeckt Durch hohe Spannung/Strom wird über die Wicklungen die Wolframspitze stark erhitzt Die emittierten Ionen werden mittels hoher Spannung beschleunigt Typische Daten: Wicklung Stromzuführung Aufhängung Stromquelle: Gallium LMIS Extraktionsspannung: 4-7 kv Beschleunigungsspannung: max. 100kV Emissionsgebiet: 10nm Stromdichte: 3 10A/cm^2 (1 3mA pro Emissionsgebiet) Ionen-Energie: 1 kev - 30 kev Ionenstrom: 1pA 20nA Beschleunigungsspannung Flüssigmetallreservoir Wolframspitze Seite 9

10 1.3 Genauere Betrachtung der Flüssigmetallquelle (LMIS) (2) Quelle: Seite 10

11 1.4 Genauere Betrachtung des FIB Systems (1) Extraktor Kondensorlinse LMIS Plasma Fokussierung Prinzip der Fokussierung wie beim REM Ionenstrahldurchmesser beim Auftreffen auf die Probe etwa 7nm Blende Objektivlinse Seite 11

12 1.4 Genauere Betrachtung des FIB Systems (2) Gasinjektion Zuführung von unterschiedlichen Gasen für verschiedene Anwendungen nötig Nadelspitze etwa 0,5mm von der Oberfläche entfernt Gas verflüchtigt sich schnell aufgrund des Vakuums Gas - Düse Seite 12

13 1.4 Genauere Betrachtung des FIB Systems (3) Bilderzeugung / Rasterung Auftreffende Ionen erzeugen ebenfalls Sekundärelektronen (vergleiche REM) Kopplung der SE-Intensität mit der Positionsinformation vom Raster-Generator ergibt Abbildung der Probenoberfläche Raster-Generator Ablenk-Rasterspulen Video Einheit SE-Detektor Signalverstärker Seite 13

14 1.5 Bilderzeugung durch Nutzung verschiedener Kontraste (1) Kontrastbildung durch Sekundärelektronen (SE) Stärke der emittierten SE direkt abhängig vom Winkel zwischen einfallendem Ionenstrahl und Oberfläche der Probe Detektor misst die Intensität der in seine Richtung emittierten Elektronen Kontrastbildung entspricht etwa dem Hell-Dunkel-Kontrast, der durch Reflektion von Licht an einer Oberfläche entsteht Quelle: Seite 14

15 1.5 Bilderzeugung durch Nutzung verschiedener Kontraste (2) Kontrastbildung durch Channeling Bei kristallinen Festkörperstrukturen steht die Kollisionswahrscheinlichkeit der Ionen mit dem Substrat in Abhängigkeit zur Kristallausrichtung Die Eindringtiefe der Ionen und damit die Intensität der emittierten SE wird dadurch stark beeinflusst Die Oberflächenbeschaffenheit bestimmter Materialien wird damit visualisiert (bspw. polykristalline Strukturen) Quelle: Seite 15

16 2. Strukturierung mittels fokussiertem Ionenstrahl Seite 16

17 2.1 Auswirkung der auftreffenden Ionen Beschleunigtes Ion trifft auf einen Festkörper Si Ga+ SE Si Ion gibt beim Eindringen stückweise bei Kollisionen seine kinetische Energie ab Angestoßene Atome des Festkörpers können ihrerseits wieder Atome anstoßen (Stoßkaskade) Unterscheidung der Zusammenstöße in elastische und inelastische Stöße - Ionen können auf gebundene Elektronen oder auf Atomkerne treffen Neben Sekundärelektronen (SE) entstehen Sekundärionen (SI) - es werden ganze Atome aus dem Substrat herausgeschlagen (Sputtering), zusätzlich bleibt ein großer Teil der einschlagenden Ionen im Material stecken (Dotierung) Ionenstrahl generiert folglich energieabhängig unterschiedliche Mikrodefekte auf der Substratoberfläche diese nutzt ein FIB- System Seite 17

18 2.2 Abtragen von Material Kontinuierlicher Beschuss der Oberfläche führt zur schrittweisen Abtragung von Material dies ermöglicht punktuelle Bohrungen Großflächige Strukturen können gefräst werden - Ionenstrahl wird über Probe gerastert h d Wesentliche Parameter: - Verweildauer (dwell) pro Pixel - kinetische Energie - Stromdichte der einfallenden Ionen Problem: erneutes Abscheiden bereits ionisierter Atome auf dem Substrat - Abscheidungsrate steigt mit zunehmendem Verhältnis h/d => maximale Tiefe h bei gegebenem d Es können sehr komplexe Strukturen gefräst werden endgültig entfernte Atome h/d Seite 18

19 2.3 Aufbringen von Material / Verwendung von Gasinjektion Direktes Abscheiden bei geringer Ionenenergie Fokussierung sehr schwierig (Trick: Beschleunigen/Abbremsen) Angewandte Alternative: Verwendung von Gasinjektion Injektion von gasförmigen Metallverbindungen sehr nahe der Oberfläche Nutzung des Ionenstrahles zur lokalen Zuführung chemischer Reaktionsenergie Gasinjektion zur schnelleren Materialentfernung Quelle: Verwendung von Ätzgasen zur beschleunigten Abtragung von Material - Unterstützt selektives Ätzen Herausgeschlagene Ionen gehen Bindung mit Gas ein (H2, Cl2,...) Erneute Ablagerung von bereits gelösten Ionen kann damit stark vermindert werden Seite 19

20 3. Probenherstellung für TEM Seite 20

21 3.1 Aufbau des Transmissionselektronenmikroskop (TEM) (1) Elektronenquelle Probe Linsensystem Vergleich mit REM Wesentlicher Unterschied: Probe wird durchleuchtet Fokussierung gleich dem REM Größter Vorteil: maximale Auflösung 0,1nm (REM etwa 5nm) Problem: Probe muss extrem dünn sein (~100nm) Fotoschirm Seite 21

22 3.1 Aufbau des Transmissionselektronenmikroskop (TEM) (2) Probe Elektronenstrahl Unelastisch gestreute Elektronen Blende Nicht gestreute Elektronen Blende Elastisch gestreute Elektronen Eintreffende Elektronen können nicht gestreut werden... auf ein gebundenes Elektron treffen verlieren kinetische Energie, werden dabei nur wenig abgelenkt (unelastische Streuung)... von einem positiven Atomkern beeinflusst werden Elektron erfährt kaum Energieverlust, aber starke Ablenkung (elastische Streuung) Seite 22

23 3.2 Probenherstellung für TEM (1) 2 µm Platinschicht Querschnitt Draufsicht 1. Schritt Dünne Platinschicht wird aufgebracht späterer Schutz vor erodierendem Ionenstrahl, dient außerdem der Markierung Oft werden zusätzliche Markierungen (hier Kreuze) gefräst erleichtert die Korrektur von Proben- und Strahlendrift Seite 23

24 3.2 Probenherstellung für TEM (2) 2. Schritt Doppelseitig wird treppenförmige Struktur ins Substrat gefräst Verwendung sehr hoher Ionenströme Verwendung von Ätzgasen zur schnelleren Prozessierung 3000 pa 20µm 10µm Seite 24

25 3.2 Probenherstellung für TEM (3) pa d < 200nm 20µm 10µm 3. Schritt Die spätere Probe wird mit verringertem Ionenstrom dünner gefräst bis zu einem endgültigen Durchmesser von etwa 100nm Der Ionenstrom wird dabei schrittweise verringert Seite 25

26 3.2 Probenherstellung für TEM (4) 4. Schritt Probe (alternativ Ionenstrahl) wird um 45 geneigt Mit geringem Ionenstrom wird die TEM Probe ausgeschnitten Alternative: Statt Ausschneiden direkte Betrachtung mit 45 Winkel Mit einer (an einem Mikromanipulator befestigten) Glasfaser kann das Blättchen entnommen werden Aufhängung 45 Seite 26

27 3.2 Probenherstellung für TEM (5) Übersicht TEM / Probenherstellung mit FIB + TEM: Atomare Auflösung (0.1nm) + mit FIB beinahe beliebiges Material strukturierbar + keine Probleme bei Materialübergängen + ideal zur Schichtanalyse von Festkörpern - verglichen mit REM extrem hoher Präparationsaufwand - glatte Schnitte anstelle von komplexen Oberflächenstrukturen Quelle: Seite 27

28 4. Siliziumchip als klassisches Anwendungsgebiet Seite 28

29 4.1 Querschnitt durch einen Wafer 3. Metall-Lage 2. Metall-Lage 1. Metall-Lage Polysiliziu m n plus n plus Feldoxid (Isolator) p minus Substrat Seite 29

30 4.2 Abscheiden neuer Leiterbahnstrukturen Verwendetes Gas: gasförmige Metallverbindung Organischer Anteil zerfällt durch Ionenstrahl und entweicht über das Vakuum, Metall bleibt zurück Widerstand höher als bei echten Leitungen, jedoch ausreichend gering für kurze Verbindungen freie Sicht auf die Reparaturstelle erforderlich Seite 30

31 4.3 Herstellung von probe pads (1) Ionenstrahl Gas Zielsetzung Vergrabene Leiterbahn zur Oberfläche hin durchkontaktieren Soll kontaktiert werden Seite 31

32 4.3 Herstellung von probe pads (2) Gas Ionenstrahl 1. Schritt Gasunterstütztes Fräsen eines breiten Lochs mit dem Ionenstrahl Blockierende Leiterbahnen werden einfach durchbohrt Seite 32

33 4.3 Herstellung von probe pads (3) Isolierte Stellen Isolatormaterial 2. Schritt Gasunterstütztes Abscheiden eines Isolatormaterials und damit Isolierung der durchbohrten Metall- Lagen Seite 33

34 4.3 Herstellung von probe pads (4) 3. Schritt Erneutes Bohren mit Hilfe des Ionenstrahls, wieder unter Mithilfe von Ätzgas Durchmesser dieses Mal geringer Seite 34

35 4.3 Herstellung von probe pads (5) fertiges probe pad 4. Schritt Gasunterstütztes Abscheiden von Metall Die Durchkontaktierung ist damit fertig und kann zu Testzwecken oder für Reparaturen weiterverwendet werden Seite 35

36 5. Zahlen und Fakten Seite 36

37 5.1 Sonstige Anwendungsgebiete Prinzipiell lassen sich mit FIB nahezu alle Materialien bearbeiten FIB findet Anwendung bei allen Disziplinen, die sich für Nanostrukturen interessieren So zum Beispiel - Gesteins- und Oberflächenanalysen (Geologie) - Manipulation und Untersuchung organischer Materialien (Biologie) - Mikrobearbeitung von Sensoren und Mikrooptiken - Zuschneiden magnetischer Leseköpfe (Festplatten, etc.) - 3D Darstellung durch abwechselndes Abtragen und Abbilden der Oberfläche - Reparatur von lithographischen Masken (zur Waferherstellung) - Feinabstimmung analoger Bauelemente usw. Seite 37

38 5.2 Kostenbeispiele Schweizer Firma Empa (Materialforschung) 350 /FIB-M-h (250 /FIB-M-h für öffentliche Forschungseinrichtungen) 150 /h für Operateur Uni Karlsruhe ( Selbstbedienung ) 80 /FIB-M-h für öffentliche Einrichtungen (reine Selbstkosten) 160 /FIB-M-h für Nebentätigkeiten von Hochschulangehörigen 200 /FIB-M-h für gewerbliche Zwecke (Firmen) Seite 38

39 Anhang: Quellenangabe Seite 39

40 Anhang: Quellenangabe Bücher: High Resolution Focused Ion Beams (Orloff, Utlaut, Swanson) ISBN: X Failure Analysis Of Integrated Circuits (Wagner) ISBN: Physik für Naturwissenschaftler (Stroppe) ISBN: Internet (unvollständig): FIB: Technische Universität Delft ( LMIS: Uni Erlangen, LS für elektronische Bauelemente ( REM: Uni Bayreuth (Didaktik der Chemie) ( Allgemeine Recherche: Wikipedia ( Sonstiges: Doktorarbeit von Peter Werner Nebiker (ETH Zürich) Zweijahresbericht von 2002/03 vom Geoforschungszentrum Potsdam (TEM) Werbematerial Firma FEI Company ( Seite 40

41 Das war's... Vortrag zum Seminarkurs 2005 (LS Schaltungstechnik und Simulation) von Tim Armbruster Seite 41