집중 이온 빔

섬네일|오른쪽|upright=1.5|FIB 워크스테이션
집중 이온 빔(Focused ion beam, FIB)은 특히 반도체 산업, 재료과학 및 생물학 분야에서 특정 부위의 분석, 증착 및 재료 융삭에 사용되는 기술이다. FIB 장치는 주사전자현미경(SEM)과 유사한 과학 기기이다. 그러나 SEM이 집중 전자 빔을 사용하여 챔버 내의 샘플을 이미지화하는 반면, FIB 장치는 대신 이온의 집중된 빔을 사용한다. FIB는 전자 및 이온 빔 컬럼을 모두 갖춘 시스템에 통합될 수도 있어, 동일한 기능을 두 빔 중 하나를 사용하여 조사할 수 있다. FIB는 직접 쓰기 석판 인쇄(예: 양성자 빔 쓰기)를 위해 집중 이온 빔을 사용하는 것과 구별된다. 이들은 일반적으로 재료가 다른 메커니즘에 의해 수정되는 상당히 다른 시스템이다.

이온 빔 소스
대부분의 널리 사용되는 기기는 액체 금속 이온 소스(LMIS), 특히 갈륨 이온 소스를 사용한다. 원소 금 및 이리듐 기반의 이온 소스도 사용할 수 있다. 갈륨 LMIS에서 갈륨 금속은 텅스텐 바늘과 접촉하게 배치되고, 가열된 갈륨은 텅스텐을 적시고 바늘 끝으로 흐른다. 이곳에서 표면 장력과 전기장의 상반되는 힘이 갈륨을 테일러 콘이라는 뾰족한 모양의 끝으로 형성시킨다. 이 콘의 끝 반경은 매우 작다(~2 nm). 이 작은 끝에서의 거대한 전기장(센티미터당 볼트 이상)은 갈륨 원자의 이온화 및 전계 방출을 유발한다.

소스 이온은 일반적으로 의 에너지로 가속되고, 정전 렌즈에 의해 샘플에 집중된다. LMIS는 매우 작은 에너지 분산을 가진 고전류 밀도 이온 빔을 생성한다. 최신 FIB는 샘플에 수십 나노암페어의 전류를 전달하거나, 수 나노미터 크기의 스폿으로 샘플을 이미지화할 수 있다.

최근에는 크세논과 같은 불활성 기체 이온의 플라즈마 빔을 사용하는 기기가 더 널리 보급되었다.

원리
섬네일|대체 텍스트=블록 다이어그램|upright=1.65|FIB의 원리 집중 이온 빔(FIB) 시스템은 주로 대형 반도체 제조업체를 위해 1990년대부터 상업적으로 생산되었다. FIB 시스템은 주사전자현미경(SEM)과 유사한 방식으로 작동하지만, 전자 빔 대신 이름에서 알 수 있듯이 FIB 시스템은 이미지 촬영을 위해 낮은 빔 전류로 작동하거나 특정 부위의 스퍼터링 또는 밀링을 위해 높은 빔 전류로 작동할 수 있는 미세하게 집중 이온 빔(일반적으로 갈륨)을 사용한다.

오른쪽 다이어그램이 보여주듯이, 갈륨(Ga+) 1차 이온 빔이 샘플 표면에 부딪히면 소량의 물질이 스퍼터링되어 2차 이온(i+ 또는 i−) 또는 중성 원자(n0)로 표면을 떠난다. 1차 빔은 또한 2차 전자(e−)를 생성한다. 1차 빔이 샘플 표면을 래스터 스캔하면, 스퍼터링된 이온 또는 2차 전자로부터의 신호가 수집되어 이미지를 형성한다.

낮은 1차 빔 전류에서는 매우 적은 물질이 스퍼터링되며, 최신 FIB 시스템은 쉽게 5 nm의 이미징 해상도를 달성할 수 있다(Ga 이온을 사용한 이미징 해상도는 스퍼터링 및 검출기 효율에 의해 ~5 nm로 제한된다). 더 높은 1차 전류에서는 스퍼터링에 의해 많은 양의 물질이 제거될 수 있어, 시료를 서브마이크로미터 또는 심지어 나노미터 스케일까지 정밀하게 밀링할 수 있다.

샘플이 비전도성인 경우, 낮은 에너지 전자 플러드 건을 사용하여 전하 중화를 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 양이온 1차 이온 빔을 사용하여 양이온 2차 이온으로 이미징함으로써, SEM에서 요구되는 전도성 표면 코팅 없이도 고도로 절연된 샘플을 이미징하고 밀링할 수 있다.

최근까지 FIB의 압도적인 사용은 반도체 산업에서 이루어졌다. 결함 분석, 회로 수정, 포토마스크 수리 및 집적 회로의 특정 위치에 대한 투과전자현미경(TEM) 시료 준비와 같은 응용 분야는 흔한 절차가 되었다. 최신 FIB 시스템은 고해상도 이미징 기능을 가지고 있다. 이 기능은 현장 단면화와 결합되어 많은 경우에 FIB 단면 시료를 별도의 SEM 기기에서 검사할 필요성을 없앴다. 최고의 해상도 이미징과 민감한 샘플의 손상을 방지하기 위해서는 여전히 SEM 이미징이 필요하다. 그러나 SEM과 FIB 컬럼을 동일한 챔버에 결합하면 두 가지 장점을 모두 활용할 수 있다.

 작동 모드 
FIB 이미징
낮은 빔 전류에서 FIB 이미징 해상도는 익숙한 주사전자현미경(SEM)의 이미징 지형과 견줄 만한 수준에 도달하지만, FIB의 두 가지 이미징 모드인 1차 이온 빔에 의해 생성되는 2차 전자 및 2차 이온은 SEM에 비해 많은 장점을 제공한다.

섬네일|유리 위에 있는 세포의 상관 광-이온 현미경 이미지. 형광 현미경으로 얻은 컬러 이미지, 스캐닝 이온 현미경으로 얻은 흑백 이미지, 그리고 집중 이온 빔으로 밀링된 런던 스카이라인.

FIB 2차 전자 이미지는 강렬한 결정립 방향 대비를 보여준다. 결과적으로, 화학적 식각 없이도 결정립 형태를 쉽게 이미지화할 수 있다. 결정립 경계 대비는 이미징 매개변수의 신중한 선택을 통해 향상될 수도 있다. FIB 2차 이온 이미지는 또한 화학적 차이를 보여주며, 특히 부식 연구에 유용하다. 금속의 2차 이온 수율은 산소 존재 시 3자릿수 증가할 수 있어 부식의 존재를 명확하게 드러낸다.

FIB 2차 전자 이미징의 또 다른 장점은 이온 빔이 단백질 표지에 사용되는 형광 프로브의 신호를 변경하지 않아, FIB 2차 전자 이미지를 형광 현미경으로 얻은 이미지와 연관시킬 기회를 창출한다는 사실이다.

식각
전자현미경과 달리 FIB는 본질적으로 시료에 파괴적이다. 고에너지 갈륨 이온이 샘플에 부딪히면 표면에서 원자를 스퍼터링한다. 갈륨 원자 또한 표면의 상위 몇 나노미터에 주입되어 표면이 비정질화된다.

스퍼터링 능력 때문에 FIB는 마이크로 및 나노 스케일에서 재료를 수정하거나 가공하는 마이크로 및 나노 가공 도구로 사용된다. FIB 마이크로 가공은 자체적으로 광범위한 분야가 되었지만, FIB를 사용한 나노 가공은 여전히 개발 중인 분야이다. 일반적으로 이미징을 위한 가장 작은 빔 크기는 2.5–6 nm이다. 가장 작게 밀링된 특징은 총 빔 크기와 밀링되는 샘플과의 상호작용에 따라 약간 더 크다(10–15 nm).

FIB 도구는 표면을 식각하거나 가공하도록 설계되었다. 이상적인 FIB는 다음 층의 원자를 방해하거나 표면 위에 잔류 방해를 일으키지 않고 한 원자 층을 가공할 수 있다. 그러나 현재 스퍼터링 때문에 가공은 일반적으로 서브마이크로미터 길이 스케일에서 표면을 거칠게 만든다.

증착
FIB는 또한 이온 빔 유도 증착을 통해 물질을 증착하는 데 사용될 수 있다. FIB 보조 화학기상증착은 텅스텐 헥사카르보닐(W(CO)6)과 같은 가스가 진공 챔버에 도입되어 샘플에 화학흡착되도록 할 때 발생한다. 빔으로 영역을 스캔함으로써 전구체 가스는 휘발성 및 비휘발성 구성 요소로 분해된다. 텅스텐과 같은 비휘발성 구성 요소는 증착물로 표면에 남는다. 이는 증착된 금속이 빔의 파괴적인 스퍼터링으로부터 기본 샘플을 보호하는 희생층으로 사용될 수 있으므로 유용하다. 수 나노미터에서 수백 마이크로미터 길이의 텅스텐 금속 증착은 필요한 곳에 금속 라인을 직접 놓을 수 있도록 한다. 백금, 코발트, 탄소, 금 등과 같은 다른 재료도 국부적으로 증착될 수 있다.

FIB는 종종 반도체 산업에서 기존 반도체 소자를 패치하거나 수정하는 데 사용된다. 예를 들어, 집적 회로에서 갈륨 빔은 불필요한 전기 연결을 절단하거나 전도성 물질을 증착하여 연결을 만들 수 있다. 높은 수준의 표면 상호 작용은 반도체 패터닝 도핑에 활용된다. FIB는 마스크 없는 이식에도 사용된다.

 응용 분야 

TEM 시료 준비용
섬네일|upright=2|FIB를 사용하여 준비된 TEM 시료가 다른 길이 스케일에서 표시되었다. 왼쪽 두 이미지는 시료를 준비한 FIB에서 얻은 2차 전자를 사용하여 이미징된 시료를 보여준다. 오른쪽 이미지는 원자 해상도 주사투과전자현미경을 사용하여 이미징된 시료를 보여준다.
FIB는 투과전자현미경용 시료를 준비하는 데도 일반적으로 사용된다. TEM은 일반적으로 ~100나노미터 이하의 매우 얇은 시료를 필요로 한다. 이온 밀링 또는 전해연마와 같은 다른 기술을 사용하여 이러한 얇은 시료를 준비할 수 있다. 그러나 FIB의 나노미터 스케일 해상도는 재료의 결정립 경계나 결함과 같이 정확한 관심 영역을 선택할 수 있게 한다. 이는 예를 들어 집적 회로 고장 분석에서 매우 중요하다. 칩의 수백만 개의 트랜지스터 중 특정 트랜지스터가 불량인 경우, 해당 단일 트랜지스터의 전자현미경 시료를 준비할 수 있는 유일한 도구는 FIB이다.

투과전자현미경용 시료를 준비하는 데 사용되는 동일한 프로토콜은 시료의 미세 영역을 선택하고 추출하여 2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 사용하여 분석하는 데에도 사용될 수 있다.

FIB 시료 준비의 단점은 위에서 언급한 표면 손상 및 이식이며, 이는 고해상도 "격자 이미징" TEM 또는 전자 에너지 손실 분광법과 같은 기술을 사용할 때 눈에 띄는 효과를 발생시킨다. 이 손상된 층은 더 낮은 빔 전압으로 FIB 밀링하거나, FIB 공정 완료 후 낮은 전압 아르곤 이온 빔으로 추가 밀링하여 최소화할 수 있다.

FIB 준비는 적절히 장비가 갖춰진 기기에서 극저온 냉동 시료와 함께 사용될 수 있어, 생체 시료, 의약품, 폼, 잉크 및 식품과 같은 액체 또는 지방을 포함하는 시료의 단면 분석이 가능하다.

FIB는 또한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에도 사용된다. 시료 표면이 1차 집중 이온 빔으로 스퍼터링된 후 방출된 2차 이온이 수집 및 분석된다.

민감한 시료 전송용
투과전자현미경(TEM) 시료(박막, 박막, 및 기타 기계적 및 빔에 민감한 시료)를 집중 이온 빔(FIB) 내에서 전송할 때, 스트레스와 굽힘을 최소화하기 위해 유연한 금속 나노와이어를 일반적으로 단단한 마이크로 조작기에 부착할 수 있다.

이 방법의 주요 장점은 시료 준비 시간의 현저한 단축(낮은 빔 전류에서 나노와이어의 빠른 용접 및 절단)과 스트레스 유발 굽힘, Pt 오염, 이온 빔 손상 최소화이다.

이 기술은 현장 전자현미경 시료 준비에 특히 적합하다.

원자 탐침 시료 준비용
TEM 시료를 만들 때 적용되는 동일한 연속 밀링 단계를 원자 탐침 단층 촬영용 원뿔형 시료를 만드는 데 적용할 수 있다. 이 경우 이온은 환형 밀링 패턴으로 움직이며, 내부 밀링 원은 점진적으로 작아진다. 시료 손상을 피하기 위해 내부 원이 작아질수록 빔 전류는 일반적으로 감소한다.

FIB-SEM 단층 촬영
집중 이온 빔은 시료 내의 서브 마이크론 특징을 3D로 이미징하는 강력한 도구가 되었다. 이 FIB 단층 촬영 기술에서 시료는 시료에 수직인 이온 빔을 사용하여 순차적으로 밀링되는 동시에 새로 노출된 표면은 전자 빔을 사용하여 이미징된다. 이른바 "슬라이스 앤 뷰" 접근 방식은 2차 전자, 후방 산란 전자 및 에너지 분산 X선 측정과 같은 SEM에서 사용할 수 있는 다양한 이미징 모드를 통해 더 큰 규모의 나노 구조를 특성화할 수 있게 한다. 이 과정은 이미지가 수집될 때마다 시료가 순차적으로 밀링되기 때문에 파괴적이다. 수집된 일련의 이미지는 이미지 스택을 정합하고 아티팩트를 제거함으로써 3D 볼륨으로 재구성된다. FIB-SEM을 저하시키는 주요 아티팩트는 이온 밀 커튼링이며, 이는 각 이미지에서 밀 패턴이 크고 비주기적인 줄무늬를 형성하는 현상이다. 이온 밀 커튼링은 디스트라이핑 알고리즘을 사용하여 제거할 수 있다. FIB-SEM은 실온 및 극저온 모두에서 수행할 수 있으며 재료 및 생체 시료 모두에 적용할 수 있다. 이는 부피 전자현미경의 여러 접근 방식 중 하나이다.

역사
FIB 기술의 역사
1975: 전계 방출 기술을 기반으로 한 최초의 FIB 시스템은 레비-세티(Levi-Setti)와 올로프(Orloff) 및 스완슨(Swanson)에 의해 개발되었으며, 가스 전계 이온화 소스(GFIS)를 사용했다.
1978: LMIS를 기반으로 한 최초의 FIB는 셀리거(Seliger) 외 연구진에 의해 제작되었다.

LMIS의 물리학
1600: 길버트(Gilbert)는 높은 장력 하의 유체가 원뿔을 형성한다는 것을 기록했다.
1914: 젤레니(Zeleny)는 원뿔과 제트를 관찰하고 촬영했다.
1959: 리처드 파인만은 이온 빔 사용을 제안했다.
1964: 테일러(Taylor)는 전기 유체 역학(EHD) 방정식에 대한 정확한 원뿔형 해법을 제시했다.
1975: 크론(Krohn)과 링고(Ringo)는 최초의 고휘도 이온 소스인 LMIS를 생산했다.

LMIS 및 FIB의 일부 선구자
마호니(Mahoney, 1969)
수드로(Sudraud) 외 파리 XI 오르세 (1974)
휴즈 연구소, 셀리거(Seliger, 1978)
휴즈 연구소, 쿠베나(Kubena, 1978–1993)
옥스퍼드 대학교 메이어(Mair, 1980)
컬럼(Culham) 영국, 로이 클램피트 프리웨트(Roy Clampitt Prewett, 1980)
 오레곤 대학원 센터, L. 스완슨(L. Swanson, 1980)
오레곤 대학원 센터, 존 올로프(J. Orloff, 1974)
MIT, J. 멜르앵갈리스(J. Melngailis, 1980)

헬륨 이온 현미경 (HeIM)

상업적으로 이용 가능한 기기에서 볼 수 있는 또 다른 이온 소스는 헬륨 이온 소스인데, 이는 Ga 이온보다 샘플에 손상을 덜 주지만, 특히 고배율 및 긴 스캔 시간에서는 여전히 소량의 물질을 스퍼터링한다. 헬륨 이온은 작은 프로브 크기로 초점을 맞출 수 있고 SEM의 고에너지(>1kV) 전자보다 훨씬 작은 샘플 상호작용을 제공하기 때문에, He 이온 현미경은 우수한 재료 대비와 더 깊은 초점 심도로 같거나 더 높은 해상도 이미지를 생성할 수 있다. 상업용 기기는 서브 1 nm 해상도를 달성할 수 있다.

집중 이온 빔 장치 내 빈 필터
섬네일|오른쪽|대체 텍스트=질량이 선택되는 방식을 보여주는 다이어그램|upright=1.1|FIB 컬럼 내 질량 선택
Ga 이온을 이용한 이미징 및 밀링은 항상 샘플 표면 근처에 Ga이 통합되는 결과를 낳는다. 샘플 표면이 스퍼터링 수율 및 이온 플럭스(면적당 이온 수, 시간당)에 비례하는 속도로 스퍼터링될수록 Ga은 샘플 내부로 더 깊이 이식되며, Ga의 정상 상태 프로파일이 달성된다. 이러한 이식은 갈륨에 의해 실리콘이 비정질화될 수 있는 반도체 범위에서 종종 문제가 된다. Ga LMI 소스에 대한 대안 솔루션을 얻기 위해, 빈 필터 기술을 기반으로 하는 질량 필터 컬럼이 개발되었다. 이러한 소스에는 Au-Si, Au-Ge 및 Au-Si-Ge 소스가 포함되어 Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Pb 및 기타 원소를 제공한다.

빈 필터의 원리는 가속된 입자에 작용하는 수직 정전기장과 자기장에 의해 유도되는 반대 힘의 평형에 기반한다. 적절한 질량 궤적은 직선을 유지하며 질량 선택 조리개를 통과하는 반면, 다른 질량은 정지된다.

갈륨 이외의 소스 사용을 허용하는 것 외에도, 이러한 컬럼은 빈 필터의 속성을 조정하는 것만으로 다른 종으로 전환할 수 있다. 더 큰 이온은 작은 이온으로 윤곽을 다듬기 전에 빠른 밀링을 하는 데 사용될 수 있다. 사용자들은 또한 적합한 합금 소스의 원소로 샘플을 도핑할 가능성으로부터 이점을 얻는다.

후자의 특성은 자기 재료 및 장치 연구에 큰 관심을 불러일으켰다. 히즈로예프(Khizroev)와 리트비노프(Litvinov)는 자기력 현미경(MFM)의 도움으로 자기 재료가 자기적 특성 변화를 겪지 않고 노출될 수 있는 이온의 임계량이 있음을 보여주었다. 이러한 비전통적인 관점에서 FIB를 활용하는 것은 오늘날 많은 신기술의 미래가 나노 스케일 자기 장치를 신속하게 제작하는 능력에 달려 있을 때 특히 유리하다.

 같이 보기 
 공초점 현미경
 이온 밀링 장비
 분말 회절
 초고속 X선
 엑스선결정학
 X선 산란 기술

 각주 

 

 더 읽어보기 

분류:반도체 제조
분류:박막 퇴적물
분류:과학 기술