Sonde ionique focalisée

La Sonde ionique focalisée, plus connue sous le nom du sigle anglais FIB, est un instrument scientifique qui ressemble au microscope électronique à balayage.



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La Sonde ionique focalisée, plus connue sous le nom du sigle anglais FIB (Focused ion beam), est un instrument scientifique qui ressemble au microscope électronique à balayage (MEB). Mais à l'endroit où le MEB utilise un faisceau d'électrons focalisés pour faire l'image d'un échantillon, la "FIB" utilise un faisceau d'ions focalisés, le plus souvent du gallium. Il est en effet facile de construire une source à métal liquide (LMIS, de l'anglais liquid metal ion source. Contrairement aux MEB, les FIB sont destructives. Donc, leur domaine d'applications est plus la microfabrication que la microscopie. Les principaux domaines d'applications sont la science des matériaux et surtout le domaine des semiconducteurs et des circuits intégrés.

Instrumentation

Dans une source à métal liquide, le gallium est positionné en contact avec une pointe de tungstène et chauffé. Le gallium mouille le tungstène et un champ électrique intense, supérieur à 108 volts par centimètre, provoque une ionisation et une émission par effet de champ des atomes de gallium.

Les ions extraits de la source sont accélérés à une énergie comprise entre 1 et 50 keV (kilo électron-volts, et sont ensuite focalisés par des lentilles électrostatiques. Une FIB moderne, du début du XXIe siècle, produit aisément sur un échantillon des dizaines de nanoampères (typiquement 50nA) dans une sonde de quelques nanomètres (typiquement 7nm).

Une sonde FIB

Contrairement aux microscopes électronique à balayages, les FIB sont destructives. Lorsque des ions gallium de haute énergie sont projetés sur un échantillon, ils pulvérisent les atomes de la surface de l'échantillon. En même temps, les atomes de gallium sont implantés dans les premiers nanomètres de la surface de l'échantillon qui est ainsi amorphisé

Dans les instruments FIB dédiés à la microfabrication, il existe toujours une possibilité de visualiser l'échantillon usiné par microscopie à balayage, avec une détection d'électrons secondaires, comme dans la microscopie électronique à balayage. Ce peut être tout simplement la sonde ionique qui est utilisée pour générer les électrons secondaires, ou bien, la même chambre sous vide peut être pourvue d'une colonne électronique ou d'une façon plus générale, la colonne FIB est montée en accessoire sur un microscope à balayage. On parle alors de Dual Beam.

Applications

Réparation et modification de circuits intégrés

À cause de l'effet de pulvérisation, la FIB est utilisée comme un outil de micro-fabrication, pour modifier ou pour usiner la matière à l'échelle micrométrique ou nanométrique.

Une FIB peut aussi être utilisée pour déposer des matériaux. On parle de «déposition induite par faisceau d'ions» (en anglais, IBID pour Ion Beam Induced Deposition). C'est un dépôt chimique en phase vapeur assisté par FIB qui se produit quand un gaz comme l'hexacarbonyle de tungstène (W (CO) 6), introduit dans la chambre à vide est adsorbé par l'échantillon. En balayant une zone de l'échantillon avec le faisceau d'ions, le gaz précurseur est décomposé et le tungstène, non volatile, reste déposé à la surface de l'échantillon. La couche de tungstène déposée protège l'échantillon de la pulvérisation du gallium. D'autres métaux que le tungstène, comme le platine peuvent aussi être déposé par le même procédé.

La FIB est fréquemment utilisée, dans l'industrie des semiconducteurs pour réparer ou modifier un système Semi-conducteur. A titre d'exemple, dans un Circuit intégré, le faisceau de gallium est parfois utilisé pour couper des connexions électriques non désirées ou pour déposer un matériau conducteur pour faire une connexion.

Préparation d'échantillons pour Microscopie électronique en transmission

Image en SEM d'un échantillon mince d'un échantillon conçue pour l'analyse par Microscopie électronique en transmission et usiné par FIB.

Une application importante de la FIB est la préparation d'échantillons pour la Microscopie électronique en transmission (en anglais, TEM pour Transmission Electron Microscopy). La TEM nécessite des échantillons particulièrement minces, typiquement 100 nanomètres. D'autres techniques peuvent être utilisées, mais la FIB convient particulièrement pour repérer et usiner ensuite l'échantillon avec une précision nanométrique. Ceci est particulièrement important pour l'analyse de défaut des circuits intégrés. Parmi les millions de transistors d'un circuit intégré, si un seul est mauvais, la FIB est l'unique instrument capable de préparer un échantillon pour microscopie électronique et contenant ce transistor unique.

La contrepartie de la préparation de l'échantillon par FIB est l'altération de l'échantillon génèrée par l'implantation ionique. Ce défaut cependant ne sera visible que dans l'observation «haute résolution» du réseau cristallin. Un léger usinage ionique à l'argon de l'échantillon après sa préparation avec la FIB suffit pour nettoyer efficacement l'échantillon.

Notes et sources de l'article

Toutes les informations contenues dans la version de février 2007 de cet article peuvent être retrouvées dans "M. Utlaut, Focused Ion Beams in Hanbook of Charged Particle Optics, edited by Jon Orloff, CRC Press, 1997.


Bibliographie

Voir aussi

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