La deposición inducida por haz de electrones (EBID) es un proceso de descomposición de moléculas gaseosas por un haz de electrones que conduce a la deposición de fragmentos no volátiles sobre un sustrato cercano. El haz de electrones generalmente lo proporciona un microscopio electrónico de barrido , lo que da como resultado una alta precisión espacial (potencialmente inferior a un nanómetro) y la posibilidad de producir estructuras tridimensionales independientes.
Proceso
El haz de electrones enfocado de un microscopio electrónico de barrido (SEM) o un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) se utiliza comúnmente. Otro método es la deposición inducida por haz de iones (IBID), donde en su lugar se aplica un haz de iones enfocado . Los materiales precursores son típicamente líquidos o sólidos y se gasifican antes de la deposición, generalmente mediante vaporización o sublimación , y se introducen, a una velocidad controlada con precisión, en la cámara de alto vacío del microscopio electrónico. Alternativamente, los precursores sólidos pueden ser sublimados por el propio haz de electrones.
Cuando la deposición ocurre a alta temperatura o involucra gases corrosivos, se utiliza una cámara de deposición especialmente diseñada; [1] se aísla del microscopio y el haz se introduce en él a través de un orificio de tamaño micrométrico. El pequeño tamaño del orificio mantiene la presión diferencial en el microscopio (vacío) y la cámara de deposición (sin vacío). Este modo de deposición se ha utilizado para EBID de diamante. [1] [2]
En presencia del gas precursor, el haz de electrones se escanea sobre el sustrato, lo que da como resultado la deposición de material. El escaneo generalmente está controlado por computadora. La velocidad de deposición depende de una variedad de parámetros de procesamiento, como la presión del precursor parcial, la temperatura del sustrato, los parámetros del haz de electrones, la densidad de corriente aplicada, etc. Normalmente es del orden de 10 nm / s. [3]
Mecanismo de deposición
Las energías de los electrones primarios en los SEM o STEM suelen estar entre 10 y 300 keV, donde las reacciones inducidas por el impacto de los electrones, es decir, la disociación del precursor, tienen una sección transversal relativamente baja. La mayor parte de la descomposición se produce a través del impacto de electrones de baja energía: ya sea por electrones secundarios de baja energía, que cruzan la interfaz sustrato-vacío y contribuyen a la densidad de corriente total, o por electrones inelásticamente dispersos (retrodispersados). [3] [4] [5]
Resolucion espacial
Los electrones primarios S (T) EM se pueden enfocar en puntos tan pequeños como ~ 0.045 nm. [6] Si bien las estructuras más pequeñas depositadas hasta ahora por EBID son depósitos puntuales de ~ 0,7 nm de diámetro, [7] los depósitos suelen tener un tamaño lateral mayor que el tamaño del punto del haz. La razón son los denominados efectos de proximidad, lo que significa que los electrones secundarios, retrodispersados y hacia delante (si el haz permanece en material ya depositado) contribuyen a la deposición. Como estos electrones pueden salir del sustrato a varias micras del punto de impacto del haz de electrones (dependiendo de su energía), la deposición de material no se limita necesariamente al punto irradiado. Para superar este problema, se pueden aplicar algoritmos de compensación, que son típicos de la litografía por haz de electrones.
Materiales y precursores
A partir de 2008, la gama de materiales depositados por EBID incluía Al, Au, carbono amorfo, diamante, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si 3 N 4 , SiO x , TiO x , W, [3] y se estaba expandiendo. El factor limitante es la disponibilidad de precursores apropiados, gaseosos o con baja temperatura de sublimación.
Los precursores más populares para la deposición de sólidos elementales son los carbonilos metálicos de estructura Me (CO) x o metalocenos . Están fácilmente disponibles, sin embargo, debido a la incorporación de átomos de carbono de los ligandos de CO, los depósitos a menudo exhiben un bajo contenido de metales. [3] [8] Los complejos de metal-halógeno ( WF 6 , etc.) dan como resultado una deposición más limpia, pero son más difíciles de manipular ya que son tóxicos y corrosivos. [3] Los materiales compuestos se depositan a partir de gases exóticos especialmente elaborados, por ejemplo, D 2 GaN 3 para GaN. [3]
Ventajas
- Muy flexible en cuanto a forma y composición del depósito; el haz de electrones está controlado litográficamente y hay una multitud de precursores potenciales disponibles
- El tamaño lateral de las estructuras producidas y la precisión de la deposición no tienen precedentes.
- El material depositado se puede caracterizar utilizando técnicas de microscopía electrónica ( TEM , EELS , EDS , difracción de electrones ) durante o inmediatamente después de la deposición. También es posible la caracterización eléctrica y óptica in situ.
Desventajas
- La deposición de material en serie y las bajas tasas de deposición en general limitan el rendimiento y, por lo tanto, la producción en masa
- El control de la composición del depósito químico o elemental sigue siendo un desafío importante, ya que las vías de descomposición de los precursores son en su mayoría desconocidas.
- Los efectos de proximidad pueden llevar a una ampliación de la estructura no deseada
Deposición inducida por haz de iones
La deposición inducida por haz de iones (IBID) es muy similar a la EBID con la principal diferencia de que se usa un haz de iones enfocado , generalmente 30 keV Ga + , en lugar del haz de electrones. En ambas técnicas, no es el haz primario, sino los electrones secundarios los que causan la deposición. IBID tiene las siguientes desventajas en comparación con EBID:
- La dispersión angular de los electrones secundarios es mayor en IBID, lo que resulta en una resolución espacial más baja.
- Los iones Ga + introducen contaminación adicional y daño por radiación a la estructura depositada, lo cual es importante para aplicaciones electrónicas. [8]
- La deposición ocurre en una configuración de haz de iones enfocado (FIB), lo que limita fuertemente la caracterización del depósito durante o inmediatamente después de la deposición. Solo es posible obtener imágenes similares a SEM utilizando electrones secundarios, e incluso esas imágenes están restringidas a observaciones cortas debido al daño de la muestra por el haz de Ga + . El uso de un instrumento de doble haz, que combina un FIB y un SEM en uno, elude esta limitación.
Las ventajas de IBID son:
- Tasa de deposición mucho más alta
- Mayor pureza
Formas
Las nanoestructuras de prácticamente cualquier forma tridimensional se pueden depositar utilizando un barrido de haz de electrones controlado por computadora. Solo el punto de partida debe estar unido al sustrato, el resto de la estructura puede ser independiente. Las formas y dispositivos logrados son notables:
- El imán más pequeño del mundo [4]
- Nanotárboles fractales [4]
- Nanoloops (posible dispositivo nano SQUID ) [4]
- Nanocables superconductores [8]
Un modelo de bacteriófago cultivado por IBID
Una maqueta de la Torre Inclinada de Pisa cultivada por IBID
Ver también
Referencias
- ^ a b Kiyohara, Shuji; Takamatsu, Hideaki; Mori, Katsumi (2002). "Microfabricación de películas de diamante por deposición localizada de vapor químico por haz de electrones". Ciencia y tecnología de semiconductores . 17 (10): 1096. Bibcode : 2002SeScT..17.1096K . doi : 10.1088 / 0268-1242 / 17/10/311 .
- ^ Nayak, A .; Banerjee, HD (1995). "Deposición de vapor químico de plasma activado por haz de electrones de películas de diamante policristalino". Physica Status Solidi A . 151 (1): 107–112. Código Bibliográfico : 1995PSSAR.151..107N . doi : 10.1002 / pssa.2211510112 .
- ^ a b c d e f Randolph, S .; Fowlkes, J .; Rack, P. (2006). "Grabado y deposición inducida por haz de electrones centrado, nanoescala". Revisiones críticas de ciencias del estado sólido y de los materiales . 31 (3): 55. Código Bibliográfico : 2006CRSSM..31 ... 55R . doi : 10.1080 / 10408430600930438 . S2CID 93769658 .
- ^ a b c d K. Furuya (2008). "Nanofabricación por microscopía electrónica avanzada utilizando haz intenso y enfocado" . Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (1): 014110. Código bibliográfico : 2008STAdM ... 9a4110F . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 9/1/014110 . PMC 5099805 . PMID 27877936 .
- ^ M. Song y K. Furuya (2008). "Fabricación y caracterización de nanoestructuras sobre sustratos aislantes por deposición inducida por haz de electrones" . Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (2): 023002. Código bibliográfico : 2008STAdM ... 9b3002S . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 9/2/023002 . PMC 5099707 . PMID 27877950 .
- ^ Erni, Rolf; Rossell, MD; Kisielowski, C; Dahmen, U (2009). "Imágenes de resolución atómica con una sonda de electrones por debajo de las 50 pm" . Cartas de revisión física . 102 (9): 096101. Código Bibliográfico : 2009PhRvL.102i6101E . doi : 10.1103 / PhysRevLett.102.096101 . PMID 19392535 .
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- ^ a b c Luxmoore, yo; Ross, yo; Cullis, A; Fry, P; Orr, J; Hebilla, P; Jefferson, J (2007). "Caracterización eléctrica de baja temperatura de nano-alambres de tungsteno fabricados por deposición de vapor químico inducida por haz de electrones y iones". Películas sólidas delgadas . 515 (17): 6791. Código bibliográfico : 2007TSF ... 515.6791L . doi : 10.1016 / j.tsf.2007.02.029 .
enlaces externos
- "Nanofabricación: Fundamentos y aplicaciones" Ed .: Ampere A. Tseng, World Scientific Publishing Company (4 de marzo de 2008), ISBN 981-270-076-5 , ISBN 978-981-270-076-6
- K. Molhave: "Herramientas para manipulaciones in situ y caracterización de nanoestructuras", tesis doctoral, Universidad Técnica de Dinamarca, 2004