Гелиевая ионная микроскопия

Основные характеристики и особенности гелиевого ионного микроскопа

Гелиевый ионный микроскоп появился как самостоятельный прибор в начале XXI века и привлек внимание специалистов в области электронной микроскопии субнанометровым разрешением, которое на тот момент было недостижимо для стандартных СЭМ.

Основой микроскопа является газовый автоионный источник, который благодаря возможностям автоионной микроскопии может быть сформирован таким образом, что ионизация газа будет иметь место в окрестности трёх атомов, расположенных на вершине трехгранной пирамиды. Один из этих атомов выставляется на оптическую ось и служит источником ионов для сфокусированного ионного пучка, что позволяет сфокусировать ионы в пятно субнанометрового размера на поверхности исследуемого материала.

Электроны, возбуждаемые в результате воздействия сфокусированным ионным пучком, регистрируются сцинтилляционным детектором типа Эверхарта-Торнли, а полученный сигнал используется для построения изображения. Аналогично возбуждению электронным пучком, количество возбуждаемых электронов определяется локальным углом падения ионного пучка, который отражает морфологию поверхности исследуемого образца. Отличием здесь является большая величина выхода вторичных электронов, а также меньшая средняя энергия вторичных электронов по сравнению с электронной микроскопией.

Гелиевая ионно-лучевая литография

Ионно-лучевая литография представляет собой разновидность методов литографии, в которой используется локальное облучение сфокусированным ионным пучком. Существуют различные системы со сфокусированным ионным пучком, использующие ионы различных химических элементов, однако наилучшее разрешение может быть достигнуто с применением гелиевого ионного микроскопа. В первые годы после появления данного прибора была опубликована серия работ, показывающая, что для литографии на резисте HSQ с его помощью может быть легко достигнуто разрешение менее 10 нм.

Травление, усиленное ионным облучением

Явление увеличения скорости химического травления некоторых веществ при облучении ускоренными ионами может быть использовано как основа технологии получения различных наноструктур. По сути своей такой метод является аналогом литографии, однако имеет ряд особенностей, в частности, одним из преимуществ является уменьшение количества технологических этапов.

В нашей лаборатории экспериментально исследовано влияние облучения ионами гелия на скорость химического травления нитрида и оксида кремния. Подробности представлены в наших работах .

В дальнейшем была показана возможность формирования различных наноструктур, геометрия которых может быть заранее рассчитана на основе данных численного моделирования процесса взаимодействия ионов с веществом. Были получены нанопоры диаметром менее 10 нм в мембране нитрида кремния , а также наноструктуры типа “струна” диаметром менее 20 нм .

Отражательная ионная микроскопия

Отражательная ионная микроскопия (ОИМ) – метод получения изображения поверхности материала путем регистрации ионов, рассеянных под малыми углами. Для получения качественного изображения методом ОИМ, то есть при использовании скользящих углов падения, необходима
большая глубина фокуса, которой обладает сканирующий ионный гелиевый микроскоп. Большая глубина фокуса данного прибора обеспечивается малым углом сходимости (менее 1 мрад) сфокусированного ионного пучка.

В нашей лаборатории был разработан способ реализации метода ОИМ в гелиевом ионном микроскопе. Для регистрации отраженных ионов применялась конверсия отраженных ионов во вторичные электроны с их последущей регистрацией детектором типа Эверхарта-Торнли.

Данный метод представляется перспективным для исследования морфологии поверхности диэлектрических материалов без применения каких-либо методов компенсации заряда, а также может применяться для количественной оценки малых перепадов высоты. Более подробно метод ОИМ описан в наших работах

Ионно-электронная эмиссия в гелиевом ионном микроскопе

При воздействии на поверхность твёрдого тела ускоренными ионами, в нём одновременно происходит большое количество процессов обмена энергией, в результате которых из вещества вылетают (эмитируются) частицы различной природы и различных энергий: электроны, положительные и отрицательные ионы химических элементов и соединений, нейтральные атомы, фотоны. Любые из перечисленных частиц несут информацию о тех или иных физико-химических свойствах материала. Электроны, связанные с атомами в твёрдом теле, в результате взаимодействия с ускоренными частицами приобретают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть вещество. Такие эмитированные электроны по аналогии с электрон-электронной эмиссией, часто называют вторичными электронами.

В работах нашего коллектива было исследовано распределение вторичных электронов, возбуждаемых ионами гелия, и продемонстрирован ряд особенностей, использование которых позволяет получить дополнительную информацию при исследовании материалов методами сканирующей ионной микроскопии посредством фильтрации вторичных электронов по энергиям.