Als eerste in Nederland bezit Mesa + de nieuwe generatie Focused Ion Beam (FIB) apparatuur. De kosten zijn hoog - 1,2 miljoen euro - maar de toepassingen voor onderzoek zijn dan ook veelzijdig.
Het nieuwe FIB-apparaat staat in de cleanroom van Mesa+, ongeveer twee meter in hoogte en 1,25 meter in lengte en breedte. Wat opvalt zijn de twee kolommen, één loodrecht op het tafeloppervlak en één onder een hoek van 52 graden. De combinatie van deze twee maakt het hart uit van het FIB-apparaat.
Uit de schuine, smallere kolom komen Gallium-ionen die een interactie aangaan met een monsterplaatje. Dat kan bijvoorbeeld een integrated circuit uit silicium zijn. De ionen kunnen daar op enkele tientallen nanometers nauwkeurig atomen wegfrezen. Ook is het mogelijk om materialen aan te brengen, zoals metalen of isolatiemateriaal. De `tip' van de leiding waaruit de ionen het materiaal treffen, heeft een doorsnede van slechts vijf nanometer.
De tweede kolom is minstens even belangrijk. Hieruit komt de elektronenbundel van de scanning electron microscope (SEM). Daarmee zijn hoge resolutie beelden te maken zonder dat het monstermateriaal op enigerlei wijze beschadigd of verstoord wordt. Terwijl de ionenstraal het monstermateriaal manipuleert kan men met de elektronenbundel dit tegelijkertijd inspecteren.
Op deze manier zijn bijvoorbeeld allerlei defecten en oneffenheden op te sporen. Dat kan ook als deze wat dieper liggen, door laagje voor laagje te kijken. Om dit goed te kunnen doen stuurt een vijfassig piëzo-motor het podium aan waarop de kamer met daarin het monstermateriaal ligt. Dit gebeurt heel precies: tot op enkele microns nauwkeurig. In de kamer kan ook gas gebracht worden om het wegfrezen van materiaal te versnellen of om, anderzijds, beter een binding (depositie) tot stand te brengen.
In de twintig jaar tijd dat het principe van focused ion beam bestaat, is de onderzoeksapparatuur die hierop gebaseerd is sterk ontwikkeld. FIB's worden wereldwijd ingezet bij: fundamenteel onderzoek, ontwerp en engineering van integrated circuits, opsporen van productiefouten, en verbetering van productieprocessen. Behalve bij universiteiten en kennisinstituten zijn FIB's te vinden in de halfgeleiderindustrie.
FEI Company uit Eindhoven is leverancier van deze geavanceerde FIB-systemen. `Als pioniers met deze apparatuur, hebben we een speciaal contract met FEI om onze bevindingen te delen', zegt dr. ir. Vishwas Gadgil die hoofdoperator van de FIB bij Mesa+ is. `Zo houdt de fabrikant feeling met de wensen en eisen vanuit de onderzoeksinstituten en vanuit het bedrijfsleven. Wij krijgen het steeds drukker. In de vier maanden dat de nieuwe FIB actief is hebben we ondermeer ontwerp- en engineeringvragen van ingenieursbureau C2V en van Texas Instruments uit Almelo binnengekregen.'
Twee nieuwe toepassingen zijn actueel voor de `twee-koloms FIB' die Mesa+ heeft aangeschaft met subsidie van het landelijke NanoNed onderzoeksprogramma. Zo kan het apparaat heel goed dunne dwarsdoorsneden maken. Plakken van enkele atomen dik kunnen daardoor bekeken worden door transmissie elektronenmicroscopen (TEM). Daarmee krijgen de analysemogelijkheden voor onderzoekers en ontwerpers een nieuwe dimensie.
Als tweede lijkt voor de nieuwste generatie FIB's steeds meer een nieuwe rol voor fabricage op nanometer-schaal weggelegd. `Zelf heb ik een etsstructuur gemaakt met gaatjes van twintig nanometer groot die allemaal dezelfde vorm hebben', zegt Gadgil. Met de mogelijkheden van het wegfrezen van materiaal op atoomniveau en depositie van nieuw materiaal, is inmiddels zoveel ervaring opgedaan dat nieuwe verbindingen aangebracht en getest kunnen worden op integrated circuits. Ook is een FIB met succes ingezet bij de fabricage van diamanten naalden die gebruikt worden bij Atomic Force Microscopes (AFM's). Daarbij tasten de naalden molecuulstructuren van organische en anorganische materialen af.
Het zijn maar enkele voorbeelden van de brede en flexibele toepasbaarheid van FIB's. In een publicatie in de Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology concluderen Gadgil en F. Morrisey van FEI Company uit Eindhoven dan ook: `In de nanotechnologie heeft de FIB toepassingen in het maken van optische monsters, sensoren, foton-apparatuur en nanostructuren. Dit vooral door de mogelijkheden van aanbrengen van materiaal op nanoschaal. Ook is de FIB succesvol bij de productie van magnetische uitlees-koppen. Geschikt voor massaproductie met hoge throughput (serieproductie) is de FIB echter niet, daarvoor blijft het proces te langzaam. Wel geschikt is de FIB voor het tot stand brengen van nieuwe technologische doorbraken.'
Vishwas Gadgil:…we krijgen het steeds drukker… (Foto Arjan Reef)
