باریکه یونی متمرکز

باریکه یونی متمرکز یا بیم (به انگلیسی: Focused Ion Beam also known as FIB) روشی برای نمونه‌سنجی است که در آن از باریکه متمرکز یون‌ها برای تصویرسازی یا لایه‌برداری از نمونه استفاده می‌شود. این تکنیک در فناوری نیمه‌رسانا، مهندسی و علم مواد و ماشین‌کاری کاربرد دارد. از دیگر زمینه‌های کاربرد این فناوری زیست‌شناسی است که برای تجزیه و تحلیل، رسوب‌دهی و فرسودن بکار می‌رود.

تاریخچه

اولین سیستم‌های باریکه یونی متمرکز بر پایه تکنولوژی میدان نشر و با استفاده از منابع یونیزاسیون میدان گاز (با نماد اختصاری GFIS) در سال 1975 توسط لوی-ستی و سوانسون گورلوف توسعه یافتند.
ساخت اولین دستگاه باریکه یونی متمرکز بر پایه منابع یونیزاسیون میدان گاز در سال 1978 توسط سلیگر انجام شد.

منابع باریکه یونی

اغلب تجهیزات رایج، از منابع یون فلز مایع (با نماد اختصاری LMIS) مانند گالیم، ایریدیم و طلا مخصوصاً منابع یون گالیم استفاده می‌کنند. در یک منبع یون فلز مایع گالیم، فلز گالیم در تماس با یک سوزن تنگستنی قرار می‌گیرد و گالیم در اثر گرما ذوب شده و به سمت نوک سوزن تنگستنی جریان می یابد که در اثر نیروهای ناشی از تنش سطحی و میدان الکتریکی گالیم مذاب را به شکل مخروطی مانند که مخروط تیلور (به انگلیسی: Taylor cone) نامیده می‌شود، در می‌آورد. شعاع نوک این مخروط به شدت کم می‌باشد (حدود ۲ نانومتر). میدان الکتریکی بسیار قوی (بیش از یکصد میلیون ولت بر سانتی متر) در این نوک کوچک باعث یونیزاسیون و نشر اتم‌های گالیم می‌شود. سپس یون‌های منبع به سرعت تا ۱-۵۰ کیلو الکترون ولت افزایش انرژی پیدا می‌کنند و به وسیلهٔ لنزهای الکترواستاتیک روی نمونه متمرکز می‌شوند.

عملکرد

سیستم‌های باریکه یونی متمرکز روشی مشابه میکروسکوپ‌های پویشی الکترونی (با نماد اختصاری SEM) دارند، با این تفاوت که همان طور که از نام باریکه یونی متمرکز بر می‌آید، در این سیستم‌ها جریان یونی (معمولا گالیم) به جای جریان الکترونی به صورت دقیق متمرکز می‌شوند.
در این سیستم ها، باریکه یون اصلی (یون مثبت گالیم) به نمونه برخورد می‌کند و باعث جداشدن مقدار کمی از اتم‌های نمونه می‌شود که سطح نمونه را ترک می‌کنند، این اتم‌های جدا شده شده می‌توانند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی یا خنثی باشند. باریکهٔ اصلی همچنین باعث جداشدن الکترون‌های ثانویه‌ای  می‌شوند.
به محض برخورد باریکهٔ اصلی به نمونه، سیگنال‌های ناشی از اتم‌های جداشده و یا الکترون‌های ثانویه جذب می‌شوند تا تصویری را شکل دهند.
در جریان‌های پایین باریکهٔ اصلی، مقدار بسیار کمی از ماده جدا می‌شود و دستگاه‌های امروزی باریکه یونی متمرکز به راحتی می‌توانند به رزولوشن تصویربرداری ۵ نانومتر دست یابند. در جریان‌های بالاتر، مقدار قابل توجهی از ماده می‌تواند جدا شود که شرایط خرد کردن دقیق نمونه را تا مقیاس کوچکتر از میکرومتر و حتی نانومتر را فراهم می‌کند.
در صورتی که نمونه نارسانا باشد، می‌توان از تفنگ الکترونی با انرژی پایین جهت جدا نمودن بار استفاده کرد. در این حالت، با تصویربرداری به وسیلهٔ یون‌های ثانویه مثبت (با استفاده از باریکه یونی مثبت)، حتی نمونه‌های بسیار عایق نیز قابل تصویربرداری و خردسازی  بدون استفاده از پوشش رسانا (به انگلیسی: conductive coating) می‌باشند.

شرحی بر کاربردها

بر خلاف میکروسکوپ‌های الکترونی، باریکه یونی متمرکز ذاتا برای نمونه مخرب می‌باشد. زمانی که یون‌های پر انرژی گالیم به نمونه برخورد می‌کنند، اتم‌هایی را از سطح نمونه جدا می‌کنند. همچنین اتم‌های گالیم در چند نانومتر سطح نمونه فرو می روند و سطح نمونه به حالت آمورف (به انگلیسی: amorphous) یا غیر کریستالی در در می‌آید.
به خاطر خاصیت جداکنندگی، باریکه یونی متمرکز در ماشین کاری‌های در ابعاد میکرو و نانو استفاده می‌شود. ماشین کاری به وسیلهٔ باریکه یونی متمرکز در ابعاد میکرو، زمینه‌ای وسیع در کاربرد صنعتی پیدا کرده‌است، اما در ابعاد نانو، این وسیله همچنان در حال توسعه یافتن می‌باشد. به‌طور عادی، کوچکترین اندازه تصویر در تصویربرداری باریکه یونی متمرکز ۲.۵-۶ نانومتر می‌باشد. کوچکترین ابعاد قابلیت خردسازی به مراتب بزرگتر است (۱۵-۱۰ نانومتر) که این به اندازه کلی باریکه و واکنش آن با نمونهٔ مورد خردسازی وابسته است.
ابزار باریکه یونی متمرکز برای صیغلی‌سازی و ماشین کاری سطوح طراحی شده‌اند. یک دستگاه باریکه یونی متمرکز ایده آل می‌تواند یک لایهٔ اتمی را بدون آسیب به اتم‌های لایه‌های دیگر ماشین کاری کند، حال آنکه در حال حاضر دستگاه‌های فعلی رایج، سطوح را در مقیاس میکرومتر ماشین کاری می‌کنند.
باریکه یونی متمرکز اغلب در صنایع نیمه رساناها (به انگلیسی: semiconductors) برای متصل کردن و یا اصلاح قطعات نیمه رسانامورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، در یک مدار مجتمع، باریکه گالیم برای قطع کردناتصالات الکتریکی ناخواسته و یا برای ذخیره‌سازی مادهٔ رسانا برای برقرار کردن یک جریان الکتریکی استفاده می‌شود. قسمت بالایی سطح نیمهرساناها در مسیرهای تعیین شدهوارد واکنش با باریکه یونی متمرکز شده و شرایط مطلوب در این صنعت از این طریق حاصل می‌شود.
باریکه یونی متمرکز همچنین برای آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ‌های الکترونی عبوریچ(با نماد اختصاری TEM) استفاده می‌شود. میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری نمونه‌هایی بسیار نازک ( معمولاً حدود ۱۰۰ نانومتر) می خواهند. اگرچه تکنیک‌های دیگری نیز برای دستیابی به چنین نمونه‌های نازکی وجود دارند ولی برای دستیابی به مقیاس نانومتری و بسیار دقیق همواره روش باریکه یونی متمرکز انتخاب می‌شود. این مسئله در مواردی مانند آنالیز شکست مدارهای مجتمع بسیار پر اهمیت می‌باشد.
باریکه یونی متمرکز در نمونه‌های برودتی یخ زده نیز کاربرد دارد، به‌طوری‌که امکان آنالیز نمونه‌ها به صورت برش عرضی برای بررسی مایعات یا چربی‌ها را فراهم می‌آورد، نمونه‌هایی مثل نمونه‌های بیولوژیکی، دارویی، کف ها، جوهرها و مواد غذایی. باریکه یونی متمرکز همچنین ئر طیف سنجی ثانویه جرم یون(با نماد اختصاری SIMS) کاربرد دارد، بعد از برخورد باریکه یونی متمرکز به سطح نمونه و جداشدن یون‌های ثانویهٔ نمونه، این یون‌های ثانویه جمع‌آوری و آنالیز می‌شوند.

تصویربرداری باریکه یونی متمرکز

در نرخ‌های پایین باریکه، تصویربرداری باریکه یونی متمرکز قابل مقایسه با میکروسکوپ الکترونی پویشی (با نماد اختصاری SEM) می‌باشد، اگرچه حالت دوگانه در تصویربرداری به روش باریکه یونی متمرکز، که شامل الکترون‌های ثانویه و یون‌های ثانویه می‌شود، به مراتب برتری تصویربرداری به روش باریکه یونی متمرکز را بر میکروسکوپ الکترونی پویشی می‌رساند.
تصویرهای الکترون‌های ثانویه باریکه یونی متمرکز، جهت‌های متفاوت دانه‌ها را نمایان می‌کند. به عنوان نتیجه ریخت‌شناسی دانه‌ها می‌تواند بدون  جداسازی شیمیایی صورت پذیرد. تصویرهای یون‌های ثانویه حاصل از تصویربرداری به روش باریکه یونی متمرکز، تفاوت‌های شیمیایی را نشان می‌دهد و این تصویرها به ویژه در مطالعات خوردگی مفید هستند.
برتری دیگر تصویربرداری الکترون‌های ثانویه باریکه یونی متمرکز این است که باریکه یونی، سیگنال ناشی از کاوش فلوئورسنت را دگرگون نمی‌کند؛ بنابراین زمینه را برای مرتبط کردن تصویرهای باریکه یونی متمرکز و تصویرهای حاصل از میکروسکوپ‌های فلوئورسنت را فراهم می‌کند.

میکروسکوپ یون هلیوم

منبع یون دیگری که در دستگاه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، منبع یونی هلیوم است که به‌طور قابل توجهی کمتر از یون‌های گالیم به نمونه آسیب می‌رساند، هرچند مقدار کمی از سطح نمونه را مخصوصاً در بزرگنمایی‌های زیاد و پویش‌های طولانی جدا می‌کند.
از آن جایی که هلیوم می‌تواند در ناحیه کوچکی متمرکز شود و نیروهای واکنشی کمتری را ناشی شود، نسبت به میکروسکوپ الکترونی پویشی، میکروسکوپ یونی هلیوم می‌تواند تصویر با رزولوشن برابر و یا بهتر و با نمایش بهتر ماده و عمق بیشتر تمرکز ایجاد کند. دستگاه‌های صنعتی 
مجهز به این میکروسکوپ، قابلیت تصویربرداری با رزولوشن کوچکتر از یک نانومتر را دارند.