1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

میکروسکوپ یون هلیم: ابزاری جدید برای میکروسکوپی و مترولوژی در مقیاس نانو

افراد مقاله : ‌ مترجم - سمیرا گل زردی , مترجم - سیدمرتضی سیدمیرزایی , مترجم - امیر آذرنیا

موضوع : استاندارد و ایمنی کلمات کلیدی : نانومترولوژی تاریخ مقاله : 1395/12/15 تعداد بازدید : 894

شرکت آلیس، یک میکروسکوپ یون هلیم جدید توسعه داده است که مزایای زیادی نسبت به میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی مرسوم و باریکه یونی متمرکز است. انتظار می‌رود این فناوری جدید، اندازه نقطه متمرکزشده نهایی 0/25 نانومتر را تولید نماید. این وضوح و شفافیت بالا، مربوط به شدت روشنایی بالای منبع، پخش انرژی کم و اثرات محدود پراش است. برهم‌کنش یون‌های هلیم با ماده، چندین ساز وکار کنتراستی ارزشمند و یک حجم برهم‌کنش سطحی ارائه می‌کند که بسیار کمتر از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی(SEM) و یا باریکه‌های یونی متمرکز(FIB) مرسوم است.

 

1-مقدمه

فناوری میکروسکوپی الکترونی روبشی[i] کنونی SEM، با محدودیت‌های عملکردی متعددی روبرو است. در مواقع زیادی وضوح و شفافیت[ii] تصویر، به جای اندازه واقعی نقطه متمرکزشده[iii]، به‌وسیله‌ی حجم برهم‌کنش نمونه[iv] محدود می‌شود. علاوه‌بر این، بهترین اندازه نقطه قابل حصول، نتیجه موازنه بین اثرات نامطلوب پدیده پراش[v] و ابیراهی رنگی[vi] است (شکل 1). این اثرات را می‌توان با انتخاب انرژی اشعه بالاتر کمینه نمود، اما این حرکت به علت افزایش حجم برهم‌کنش نمونه، کاهش وضوح تصویر را به دنبال دارد. استفاده از اشعه یون‌های گالیم[vii] در میکروسکوپ گزینه‌ای مطلوب به تلقی می‌شود؛ زیرا جرم بزرگ‌تر، اثرات پراش را به شدت کاهش می‌دهد. با این حال، پخش بالای انرژی در یک منبع یونی فلز-مایع (LMIS) [viii] مرسوم، ابیراهی رنگی قابل توجهی در شرایط عملیاتی معمول تولید می‌کند. همچنین FIB[ix] اشعه یونی متمرکزشده گالیم، عیوب بزرگ دیگری نیز دارد. از جمله؛ کندوپاش[x] نمونه و کاشت دائمی[xi] اتم‌های فلزی.

 

2-منبع یون هلیم آلیس

در طول سه دهه گذشته تلاش‌های قابل توجهی برای توسعه یک منبع تک رنگ با شدت روشنایی بالا از اتم‌های گازهای نجیب در جریان بوده است. به تازگی خلاصه‌ای از این تلاش‌ها و محدودیت‌ها در یک مقاله به چاپ رسیده است[xii]. خاصیت شدت روشنایی بالا و پخش انرژی پایین مطلوب است؛ زیرا با داشتن این خواص، اشعه یون‌ها را می‌توان تا کمترین اندازه ممکن پروب بر نمونه متمرکز نمود. انتخاب اتم‌های گاز نجیب با این هدف است که هرگونه تغییر نوری، الکتریکی یا شیمیایی نمونه، کمینه باشد. هلیم به طور ویژه‌ای با ارزش است، زیرا کندوپاش ناچیزی داشته و سرعت انتشار آن به خارج از نمونه زیاد است.

می‌توان برای فهم بهتر منبع یون توسعه یافته در شرکت آلیس[xiii]، آن را با یک فناوری مربوط به این حوزه یعنی میکروسکوپ یونی میدانی (FIM) [xiv]، مقایسه نمود. این میکروسکوپ (شکل 2) بیش از 50 سال پیش به‌وسیله‌ی اروین مولر[xv] توسعه یافت و اولین مشاهده مستقیم از چینش اتم‌ها در ماده را فراهم کرد. FIM شامل یک سوزن فلزی است که تا دماهای بسیار پایین سرد و شعاع آن تا 100 نانومتر تیز شده است. سوزن به سمت الکترود برانگیزنده[xvi] مقابل متمایل است. با داشتن سوزنی به اندازه کافی تیز، تنها به ولتاژی برای تولید قدرت میدان به بزرگی V/A4 در بزرگ‌ترین نقطه روی سوزن نیاز است. در این قدرت میدان، هرگونه زبری در اثر اعمال میدان از حجم ماده تبخیر می‌شود و شکل نهایی تقریباً کروی خواهد داشت (شکل3). با کاهش ولتاژ مقدار کمی از گاز تصویربرداری در اطراف سوزن پخش می‌گردد. اتم‌های گاز خنثی به وسیله میدان الکتریکی بالا قطبیده‌شده و به سمت سوزن شتاب می‌گیرند. درست در بالای اتم‌های لایه بیرونی، یک ناحیه دیسکی شکل وجود دارد که در آن میدان به قدری قوی است که امکان تونل‌زنی کوانتومی الکترون‌ها را به درون سوزن فراهم می‌کند. هم‌زمان با عبور اتم‌های گاز خنثی از درون این دیسک‌های یونی، این اتم‌ها بار مثبت گرفته و بلافاصله با شتاب از سوزن منحرف و به سمت فسفر یا تجهیزات تصویربرداری دیگر هدایت می‌گردند. تصویر حاصل (شکل 4) چینش بلورشناختی اتم‌ها را روی یک سوزن تقریباً کروی نمایش می‌دهد. در حقیقت، تصویر باریکه یونی متمرکز (FIM) صدها پرتوی یونی است که همگی آن‌ها منابع محدود گاز تصویربرداری را به اشتراک می‌گذارند.

منبع یون هلیم آلیس بر اساس فناوری باریکه یونی متمرکز ساخته شده است. در ابتدا، شکل سر سوزن همانند حالت قبل تقریباً کروی شکل است. این شکل تغییر می‌کند تا به شکل یک هرم سه وجهی، همانند شکل 5، تبدیل شود. با این شکل، میدان الکتریکی در نوک هرم متمرکز می‌شود؛ در نتیجه یونیزاسیون[xvii] میدان بیشتر برای بالاترین اتم‌ها رخ می‌دهد. پایدارترین شکل قله هرم متشکل از مجموعه سه اتم است که به آن تریمر[xviii] می‌گویند. در نهایت منبع ثابت هلیم به جای صدها اتم در تصویر باریکه یونی متمرکز، به‌وسیله‌ی این سه اتم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه نشر به ازای هر اتم تا بیش از 2 مرتبه بزرگی[xix]، افزایش می‌یابد. تصویر اِف‌آی‌اِم این الگوی نشر در شکل 6 نمایش داده شده است. یکی از اتم‌های تریمر برای تولید اشعه برای میکروسکوپ یون هلیم استفاده شده و اشعه‌های تولید شده به‌وسیله‌ی دو اتم دیگر به سمت دستگاه تخلیه اشعه هدایت می‌شوند.

تغییر شکل سر سوزن برای تولید شکل هرمی یک فرآیند انحصاری است. این فرآیند را می‌توان معکوس نمود تا همان شکل تقریباً کروی حاصل گردد. هر کدام از این فرآیند‌ها را می‌توان به صورت درجا انجام داد و تنها به چند دقیقه زمان نیاز است. تکرارپذیری این فرآیندها به گونه‌ای است که یک منبع تنها را می‌توان برای چندین ماه استفاده نمود. در مقیاس‌های زمانی کمتر، جریان اشعه تا 1 درصد در بازه زمانی معمول برای تهیه یک تصویر، پایدار است.

پخش انرژی به‌وسیله‌ی اشعه یونی ساطع‌شده، کمتر از eV 1 گزارش شده است. کران بالا به‌وسیله‌ی کیفیت طیف‌سنج[xx] تعیین می‌شود. محققان دیگر پهنای کامل را در پخش انرژی نیمه‌بیشینه اندازه‌گیری کرده‌ و مقدار آن را بین 25/0تا 5/0 الکترون ولت گزارش نموده‌اند. مقدار ΔE/E با توجه به پخش کم انرژی و مقدار انرژی‌های اشعه معمول مورد استفاده، تقریباً 2*10-5 است. برای مقایسه، باریکه یونی متمرکز گالیم و SEM با ولتاژ پایین، ΔE/E‌های بزرگ‌تری دارند؛ در نتیجه بیشتر در معرض ابیراهی رنگی قرار می‌گیرند.

مقدار گزارش شده برای شدت روشنایی منبع، بر اساس تخمینی از اندازه واقعی منبع است. این حقیقت که اتم‌ها به وضوح در تصویر باریکه یونی متمرکز قابل تشخیص هستند، نشان می‌دهد که اندازه دیسک‌های یونیزاسیون واقعی از فاصله بین اتمی کوچک‌تر است. اندازه واقعی منبع که به وسیله مسیریابی معکوس خط سیر یون‌ها تعیین می‌شود، حتی از این مقدار نیز کمتر است. برای مقاصد محاسباتی از یک منبع با قطر تقریبی 3 انگستروم استفاده شده که ممکن است نشان دهنده کران بالا باشد. با ولتاژ برانگیختگی 20 کیلوولت، چگالی زاویه‌ای جریان [xxi] اندازه‌گیری‌شده µA/sr 5/2 است. از این داده و اندازه تخمینی واقعی منبع، مقدار شدت روشنایی 4*109 A/cm2sr به دست می‌آید. این میزان شدت روشنایی تقریباً دو مرتبه بزرگی، بهتر از نشردهنده الکترون اسکاتی[xxii] و سه مرتبه بزرگی بهتر از LMIS گالیم است.

همان طور که در شکل 7 نشان داده شده است، جریان نشر یونی به ازای هر اتم در یک ولتاژ برانگیختگی معین، به یک مقدار بیشینه می‌رسد. در ولتاژهای پایین‌تر، گاز تصویربرداری به قدر کافی پلاریزه نشده و در نتیجه به صورت مؤثری به ناحیه سوزن کشیده نمی‌شود. در ولتاژهای بالاتر، اتم‌های بیشتری شروع به نشر می‌کنند و هر کدام سهمی از منبع محدود گاز دارند؛ در نتیجه میزان نشر بر اتم کاهش می‌یابد. به طور معمول ولتاژ برانگیختگی متناظر با شدت زاویه‌ای بیشینه[xxiii] انتخاب می‌شود. علاوه‌بر الکترود برانگیزنده، انرژی اشعه یونی ممکن است با روش‌های معمول کاهش یا افزایش یابد. اگر جریان بیشتر یا کمتر مطلوب باشد، فشار گاز تصویربرداری را می‌توان افزایش یا کاهش داد (به سادگی نسبی این روش در مقایسه با SEM یا FIB توجه شود که در آن‌ها به تغییر در دریچه فیزیکی یا المان‌های نوری نیاز است). همان‌طور که در شکل 8 نشان داده شده، تغییرات جریان اشعه با فشار گاز تا حداقل سه مرتبه بزرگی، خطی است. تصاویری با جریان به اندازه 1 فمتو آمپر تنها با کاهش فشار گاز هلیم ثبت شده است.

 

3-میکروسکوپ یون هلیم

میکروسکوپ یون هلیم آلیس در ساختار کلی مشابه یک SEM است و تنها چند تفاوت جزئی نسبت به آن دارد. منبع یون یک اشعه فراهم می‌کند که متمرکز شده، از روزنه عبور کرده و کل نمونه را اسکن می‌کند. زاویه همگرایی معمولاً یک پنجم SEM است. در نتیجه عمق میدان، تحت شرایط مشابه، 5 مرتبه بزرگ‌تر است. در مقایسه با SEM (شکل 1) ، منحنی پراش بیش از دو مرتبه بزرگی کوچک‌تر بوده و ابیراهی رنگی آن حداقل پنج مرتبه کمتر است. به صورت متناظر، بهترین اندازه نقطه متمرکز طبق پیش‌بینی‌ها 25/0 نانومتر است.

 

3-1-برهم‌کنش نمونه و تشکیل تصویر

تصاویر میکروسکوپ یون هلیم را می‌توان از سیگنال‌های مختلف به‌دست‌ آمده از چندین آشکارساز ساخت. به طور معمول سیگنال انتخاب‌شده از الکترون‌های ثانویه[xxiv] است. بازده الکترون‌ ثانویه برای برخورد یون هلیم بین 3 تا 10 برای مواد مختلف است. در نتیجه تصاویر حاصل از الکترون‌های‌ ثانویه، نویز کمتر و قابلیت‌شناسایی بهتری نسبت به SEM دارند. شکل 9 یک نمونه از تصویر الکترون‌ ثانویه به دست آمده از طریق میکروسکوپ یون هلیم (چپ) را در مقایسه با تصویر الکترون‌ ثانویه به دست آمده از یک SEM مرسوم (راست) نشان می‌دهد. همچنین بازده الکترون‌ ثانویه با sec (α) متناسب است؛ α زاویه اشعه ورودی نسبت به بردار عمود بر نمونه است. در نتیجه این تصاویر، علائم توپوگرافیکی[xxv] متداول را نشان می‌دهند که باعث می‌شود تصاویر SEM، به سادگی قابل تفسیر باشند. به دلیل اینکه الکترون‌ ثانویه در میکروسکوپ یون هلیم تقریباً تنها از اشعه اصلی تولید می‌شود، اطلاعات مفیدی در مورد شیمی سطح خود به همراه دارد. این موضوع در تضاد با تصاویر SEM است که معمولاً اطلاعات مربوط به عمق‌های بیشتر را به علت وجود کسر بیشتر SEIIها[xxvi]، نشان می‌دهند. این SEII‌ها از طریق بازگشت[xxvii] الکترون‌ها تولید شده‌اند.

علاوه‌بر تصاویر الکترون ثانویه، تصاویر ممکن است از یون‌های هلیمی که از هسته اتم‌های سنگین‌تر ساطع شده تشکیل شوند. فراوانی کلی چنین یون‌هایی (یون‌های بازگشتی رادرفورد یا RBIs[xxviii]) متناسب با سطح مقطع پراکندگی است که آن هم متناسب با مربع عدد اتمی اتم‌های هدف است. این موضوع یک روش مهم برای تشخیص مواد و مرتب نمودن آن‌ها بر اساس عدد اتمی فراهم می‌کند. شکل 10 یک سطح مسی را که به‌وسیله‌ی یک پالس لیزری در معرض سطح سیلیکونی قرار گرفته، نشان می‌دهد. یک تشخیص دقیق‌تر از ماده هدف را می‌توان با روشی مشابه با روش رسمی علوم سطح به نام طیف‌سنجی بازگشتی رادرفورد[xxix] به دست آورد. در این روش از یک آشکارساز انرژی انتخابی در یک زاویه معین استفاده می‌شود. انرژی و زاویه پراکندگی امکان تعیین دقیق جرم اتم‌های هدف را فراهم می‌کند.

می‌توان کاربردهای دیگری برای میکروسکوپ یون هلیم در نظر گرفت. علاوه‌بر تصاویر الکترون ثانویه و RBI، از فوتون‌های نشرشده نیز تصاویری تولید شده است. همچنین برای نمونه‌های بسیار کوچک، امکان انجام عملیات در مدهای بازگشتی مشابه با TEM [xxx] و TEM روبشی[xxxi] وجود دارد.

 

4-نتیجه‌گیری

اخیراً یک میکروسکوپ یون هلیم بر اساس نوع جدیدی از منبع یونیزاسیون گاز در اثر میدان توسعه یافته است. این منبع خواص مطلوب شدت روشنایی بالا و پخش انرژی پایین دارد و انتظار می‌رود که در نهایت تصاویری با جداسازی 25/0 نانومتر تولید نماید. تصاویر تولید شده از الکترون‌های ثانویه اطلاعات مهمی از سطح و توپوگرافی فراهم می‌کند. تصاویر تولیدی از یون‌های پراکنده‌شده نیز، اطلاعاتی اولیه از مواد تحت بررسی فراهم می‌آورد.

 

منبع

B. W. Ward, John A. Notte, and N. P. Economou, “Helium ion microscope: A new tool for nanoscale microscopy and metrology”, Journal of Vacuum Science & Technology B, 24 (2006) 2871.