Vật liệu

GIA CÔNG NANO BẰNG CHÙM TIA ION TẬP TRUNG

Chùm tia ion có thể những được tập trung thành điểm trên mặt phẳng với kích thước <5nm.

Công nghệ này dùng nguồn ion kim loại lỏng (liquid metal ion sources – LMIS) được lần đầu tiên phát triển trong những năm 1970s.

Kim loại lỏng được sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị FIB ngày nay là Ga nhờ có nhiệt độ nóng chảy thấp (29.8oC). Nguyên lý tạo nguồn gallium lỏng được trình bày ở hình 5.

Ion kim loại được tạo ra bằng một phương pháp rất đặc biệt từ một nguồn rất nhỏ với đường kính chỉ vài nanometer. Đây cũng là kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ bắn điện tử (electrospray). Nếu bề mặt kim loại lỏng được đặt dưới một điện trường tập trung, điện trường này sẽ làm biến dạng hình thái tự nhiên của bề mặt kim loại lỏng nhờ sức căng bề mặt (Hình 4a). Khi nâng điện trường lên một mức nhất định, hình dạng của khối kim loại lỏng sẽ chuyển thành hình nón Taylor (Taylor cone)  với một đầu kim rất nhọn.

Điện trường cần thiết để tạo ra nón Taylor (~108V/cm) đủ lớn để kéo các nguyên tử ra khỏi đầu kim và ion hóa chúng. Đây chính
là công nghệ tạo ra nguồn tia điện tử.
Kỹ thuật trên được sử dụng trong LMIS kết hợp với lắp đặt thêm một kim tungsten nhô lên trong bể Ga lỏng (H. 5b). Kim loại lỏng làm dính ướt đầu kim tungsten và khi cung cấp điện áp đủ lớn nón Taylor được hình thành xung quang đầu kim tungsten. Điểm mà ion Ga+ được bắn ra có đường kính <5nm nhờ vậy tạo ra một nguồn cực kỳ nhỏ. Nguồn ion này sẽ được tập trung lại thành từng điểm nhỏ trên bề mặt làm việc. Sau khi các ion Ga+ được kéo ra khỏi đầu kim tungsten, kim loại lỏng sẽ tự động điền đầy vào chỗ trống. Hình 5c là một mô hình tạo LMIS hiện đang được thương mại hóa trên thị trường do công ty FEI sản xuất. Với tần xuất sử dụng thong thường, một bộ nguồn LMIS có tuổi thọ đến 2 năm.

12

3
Hình 5. Nguồn ion kim loại lỏng (LMIS)

Chùm tia ion tập trung (FIB) trên bề mặt gia công lại được tạo ra bởi các thấu kính từ trong một hệ thống như mô tả ở hình 6.

Khi mới được bứt phá ra khỏi LMIS, các ion này có năng lượng nằm trong khoảng 5-50keV và được tập trung thành các chùm tia song song bởi một thấu kính condenser.

Đường kính chùm tia song song này sẽ được giới hạn lại thông qua một lỗ hổng (aperture) với kính thước xác định trên một tấm đĩa. Tấm đĩa
này cũng có nhiều lỗ với kích thước khác nhau để có thể điều chỉnh được.

Chùm tia ion tiếp tục di chuyển xuống phía dưới sau đó được tập trung lại thành từng điểm (kích thước khoảng ~5nm ứng với cường độ dòng tia thấp và với lỗ mở nhỏ nhất) trên bề mặt làm việc nhờ các thấu kính hội tụ.

Ngoài ra còn có các thấu kính (octupole) dùng để bẻ cong chùm tia ion kết hợp với một tấm chắn (beam-blanking) dùng để “đóng/mở” chùm
tia chiếu đến bề mặt chi tiết.
4 5
Hình 6. Cấu tạo thiết bị tạo chùm tia ion

Khi chùm tia ion đập vào bề mặt mẫu, một loạt các hiện tượng sẽ xảy ra như ở hình 7. Khác với phương pháp gia công bằng chùm tia electron (FEB) khi chỉ có thể bẻ gãy các liên kết hóa học. Nhưng với các bề mặt rắn như kim loại hoặc Si thì FEB không thể phá hủy được.

Trong trường hợp này, khối lượng của các ion tích trữ năng lượng cũng tương đương với các nguyên tử trên bề mặt vật mẫu. Nhờ đó các nguyên tử này sẽ bị bứt ra khỏi bề mặt – đây cũng là nguyên lý dùng trong phương pháp sputtering. Trong chu trình đó, một vài nguyên tử bị bứt ra có thể bị ion hóa tạo thành một hỗn hợp bao gồm cả các nguyên tử trung tính (neutral atoms) và các ion. Một vài nguyên tử hay ion bắn ra (sputtered atoms or ions) có thể lại kết tinh lại trên bề mặt mẫu tạo ra các cấu trúc không mong muốn xung quanh khu vực gia công.

Ngoài các nguyên tử bứt ra, các electron thứ cấp cũng được tạo ra. Các electron này có thể được dùng để “quan sát” kết cấu. Một vài các ion tới (incident ions) đào xâu vào bề mặt sẽ bị giữ lại trong vật liệu ở khoảng cách tương đương với vài lớp nguyên tử. Ở cường độ dòng tia ion tới thấp (hiện tượng bắn phá sputtering là nhỏ nhất) phương pháp FIB có thể chép lại hình ảnh bề mặt với độ phân giải cao (~5nm) bằng cách quét chùm tia qua bề mặt cần quan sát và đo lượng ion thứ cấp tạo ra. Địa hình bề mặt thực tế sẽ hiện ra nhờ sự khác biệt của lượng ion thứ cấp đo được.

Phương pháp quan sát này cũng có thể được dùng với chùm tia electron trong kỹ thuật khắc nhờ chùm electron (Electron Beam Lithography – EBL) với độ phân giải tương đương và không bị phá hủy. Đây cũng là nguyên lý hoạt động của các kính hiển vi quét tia electron (Scanning Electron Microscope – SEM). Đây là loại thiết bị rất phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Mặc dù cũng có những nguy cơ phá hủy bề mặt, phương pháp quan sát dùng chùm ion vẫn có những ưu điểm nhất định do có độ tương phản cao hơn (greater sensitivity) giữa năng lượng của electron bứt ra so với bề mặt đo đạc. Một vài thiết bị FIB trên thị trường có lắp đặt thêm buồng electron riêng biệt bên cạnh buồng ion, nhờ đó các hình ảnh SEM có thể được thu lại mà không phá hủy mẫu sau khi đã qua công đoạn gia công với chùm tia ion.

7
Hình 7. Sản phẩm của quá trình bắn chùm tia ion.

Một trong các ứng dụng chính của thiết bị FIB là “phay” (milling). Đó là quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt nhờ bứt phá các nguyên tử (sputtering). Một cách đơn giản ta có thể tưởng tượng chùm tia ion như một con dao mổ có bề dày 5nm cắt vào bề mặt. Nhưng trên thực tế kích thước nhỏ nhất của các chi tiết phay được nằm vào khoảng vài chục nanomet. Lý do làm cho độ chính xác phay nano giảm nằm ở cường độ dòng ion cần đạt được ở quá trình phay. Ngược với quá trình quan sát, không dễ dàng để có thể tập trung chùm tia ion xuống 5nm. Thêm vào đó, các nguyên tử bị bứt phá (sputtered atoms) lại bứt phá thêm các nguyên tử khác trên đường di chuyển ra khỏi bề mặt. Do đó phần vật liệu bị tách ra có kích thước lớn hơn đường kính chùm tia. Một vài các nguyên tử bị bứt ra lại đắp trở lại bề mặt dẫn đến làm sai lệch thêm hình dạng cần gia công. Trên các thiết bị thực tế, có một giao diện cho phép người vận hành vẽ ra hình dạng cần phay trên bề mặt. Sau đó phần mềm FIB xác định lại khu vực gia công có tính toán thêm các điểm chồng lấp (overlapping pixels). Kích thước thực tế phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của dòng ion sau đó phần mềm sẽ điều khiển phần cứng để chiếu chùm tia ion lên các điểm gia công một cách tuần tự. Các thiết bị này thường có tính linh hoạt cao để có thể gia công mọi bề mặt rắn từ các vật liệu hữu cơ mềm đến các kim loại cứng.

Post Comment