Fokussierter Ionenstrahl

Wofür wird der fokussierte Ionenstrahl verwendet?

FIB ermöglicht die Erstellung hochauflösender digitaler Bilder von festen Oberflächen. Dies kann mit FIB allein oder, häufiger, in Kombination mit Rasterelektronenmikroskopie (FIB-REM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (FIB-TEM) erreicht werden. Diese Methoden finden Anwendung bei der Kartierung der Oberflächentopographie aller Arten von festen Materialien, einschließlich Halbleitern, Dünnschichten und natürlich vorkommenden Substraten. In der Mikroelektronik und Nanotechnologie kann FIB auch zur Veränderung von Proben durch die Abscheidung sehr dünner Materialschichten auf diesen verwendet werden.

Wie funktioniert der fokussierte Ionenstrahl?

Der fokussierte Ionenstrahl wird mithilfe eines erhitzten flüssigen Metalls, wie Gallium, und einer Wolframnadel erzeugt. Wenn diese in Kontakt kommen, entsteht ein starkes elektrisches Feld, das die Galliumatome ionisiert und Ionen erzeugt. Anschließend können die Ionen mithilfe einer Reihe elektrisch geladener „Linsen“ beschleunigt und auf ein bestimmtes Ziel gerichtet werden, wodurch effektiv ein „Strahl“ aus Ionen entsteht. Dieser Strahl kann dann auf die Oberfläche einer Probe gerichtet werden, wo er zum Abbilden, Ätzen und Vorbereiten der Probe für weitere Analysen verwendet werden kann.

Geeignete Proben

FIB-REM und FIB-TEM eignen sich für die meisten harten Feststoffproben, unabhängig davon, ob es sich um Metalle, Gläser, Halbleiter oder Dünnschichten handelt. Der FIB kann jedoch einige weichere Probentypen so stark beschädigen, dass keine nützlichen Daten mehr gewonnen werden können. Dies kann durch Schockgefrieren der Probe vor dem Fräsen (Kryo-FIB) vermieden werden, wonach Kryo-REM oder Kryo-TEM durchgeführt werden kann.

Unterschiede zwischen FIB-TEM und FIB-REM

Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sind zwei Techniken, die zur Abbildung von Proben in sehr kleinem Maßstab eingesetzt werden. Beide funktionieren auf ähnliche Weise, wobei der wesentliche Unterschied in dem Maßstab liegt, in dem sie arbeiten. TEM kann Oberflächen in einem weitaus kleineren Maßstab abbilden als REM, wodurch sie sich besser für sehr detaillierte Analysen eignet. REM hingegen kann größere Abbildungen erzeugen, wodurch sie nützlicher für Analysen des Gesamtbildes ist.

In beiden Fällen kann ein FIB zur vorherigen Probenpräparation verwendet werden. Im Fall von FIB-TEM muss die Probe für die Analyse elektronentransparent sein. Daher wird der FIB verwendet, um eine winzige, unter 100 nm dicke Schicht des Materials zu ätzen, damit sie mittels TEM präzise untersucht werden kann.

Im Fall von FIB-REM ist der FIB in der Regel direkt in den REM-Prozess integriert, sodass die Probe während des Scannens geschnitten werden kann. Dies ermöglicht die Erstellung mehrerer Bilder, die anschließend zur Konstruktion eines umfassenderen 3D-Bildes des analysierten Bereichs verwendet werden können.

Vorteile und Einschränkungen der FIB-Probenpräparation

Der Hauptvorteil der Anwendung von FIB auf REM und TEM besteht darin, dass beide Techniken so verbessert werden, dass wertvollere Daten erfasst werden können, sei es durch das Schneiden eines sehr dünnen Querschnitts der Probe oder durch die Ermöglichung der Erstellung vollständiger 3D-Bilder mittels Tomographie. In beiden Fällen ermöglicht FIB die Erfassung vielseitigerer Ergebnisse, als sie allein durch Elektronenmikroskopie gewonnen werden könnten.

Der Nachteil der Integration von FIB besteht darin, dass es ein destruktives Element in den Prozess einführt. Sowohl REM als auch TEM sind von Natur aus nicht-destruktiv, was bedeutet, dass die Probe während der Bildgebung normalerweise nicht beschädigt wird. Die Anwendung eines fokussierten Ionenstrahls schneidet die Probe irreparabel, was bedeutet, dass sie nach der Analyse nicht wiederhergestellt werden kann. Darüber hinaus kann FIB für einige Probentypen zu schädlich sein. Sie könnten dann so beschädigt werden, dass sich dies auf die Ergebnisse auswirken kann.

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