[論文レビュー] Helium Ion Microscopy

Gregor Hlawacek, Veligura, Vasilisa+2 more|Nov 7, 2013

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications被引用数 24

ひとこと要約

このレビューでは、サブ0.25 nmの仮想発生源サイズと1 eVのエネルギー幅を有するガス集束イオン源（GFIS）を用いたヘリウムイオン顕微鏡（HIM）を、高分解能イメージングとナノファブリケーションを統合する変革的技術として提示している。HIMは、被覆なしの絶縁体のイメージングが可能であり、ミリング中に最小限の格子欠損を引き起こし、ヘリウムまたはネオンイオンビームを用いた精密なナノ構造化を実現し、生物学的材料および2次元材料において、SEM や FIB よりも優れた表面感受性と分解能を発揮する。

ABSTRACT

Helium Ion Microcopy (HIM) based on Gas Field Ion Sources (GFIS) represents a new ultra high resolution microscopy and nano-fabrication technique. It is an enabling technology that not only provides imagery of conducting as well as uncoated insulating nano-structures but also allows to create these features. The latter can be achieved using resists or material removal due to sputtering. The close to free-form sculpting of structures over several length scales has been made possible by the extension of the method to other gases such as Neon. A brief introduction of the underlying physics as well as a broad review of the applicability of the method is presented in this review.

研究の動機と目的

• ヘリウムイオン顕微鏡（HIM）を、高分解能イメージングおよびナノファブリケーションのための SEM や FIB の代替として実現可能なものとすること。
• SEM や FIB が被覆なしの絶縁体をイメージングする際の制限およびミリング過程における結晶格子の損傷を解決すること。
• HIM を用いた直接的ライトライトリソグラフィー、レジストパターニング、および材料改質の可能性を検討すること。
• 高イオン線量下でのヘリウムイオンのインプラント効果および欠际工学的制御を評価すること。
• ネオンを含む他のガスを用いたHIMの応用拡大により、より広範なナノファブリケーション応用を実現すること。

提案手法

• ピラミッド形状の発生体を有するガス集束イオン源（GFIS）を用い、仮想発生源サイズ ≤0.25 nm の高精度なヘリウムイオンビームを生成する。
• 静電レンズおよびビームアパーチャを用いてビーム収束を制御し、像面ビーム発散角 αi < 1 mrad を達成する。
• イメージングには二次電子およびイオン放出を誘発するイオンビームを、ナノファブリケーションおよびレジストパターニングにはスパッタリングを用いる。
• スキャンフィールドイオン顕微鏡（SFIM）を用いて、原子レベルでの発生源先端のモニタリングと形状制御を行い、最適なイオン放出を実現する。
• エネルギー分散および深さ方向に分解された分析を用いて、高イオン線量下でのヘリウムインプラント、バブル形成、およびブリスタリングを調査する。
• ネオンイオンを用いた応用拡張により、マルチスケールかつ自由形状のナノ構造化を可能とし、スパッタリング効率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HIM は、低電圧 SEM と比較して、どのように優れた分解能と焦点深度を達成しているか？
• RQ2 イオンビームミリング過程において、HIM が表面感受性と最小限の格子欠損を実現するメカニズムは何か？
• RQ3 高イオン線量下でのヘリウムインプラントが、欠陊形成および材料劣化に与える影響は何か？
• RQ4 HIM は、被覆なしの絶縁体および生物学的サンプルのイメージングにおいて、どの程度 SEM や FIB を置き換えることができるか？
• RQ5 ネオンなどの他のガスへのHIMの応用拡張の将来可能性と限界は何か？

主な発見

• HIM はビーム収束角 αi < 1 mrad を達成し、焦点深度 d_f = δ / αi が低電圧 SEM（αi ≈ 8 mrad）よりも顕著に大きいことから、地形に富んだ構造物においても優れたフォーカスを維持できる。
• GFIS は、仮想発生源サイズ ≤0.25 nm および輝度 ~1×10^9 A cm⁻² sr⁻¹ を実現し、10 nm未満の分解能を有するイメージングおよびナノファブリケーションを可能にする。
• HIM は、高い表面感受性と最小限の充電効果のおかげで、被覆なしの生物学的および絶縁体サンプルの高分解能イメージングを可能にする。
• ヘリウムインプラントは、10^17 cm⁻² 未満のフラクチュエーション範囲でナノバブルの形成を引き起こし、金では最大数ギガパスカルの圧力を発生させ、高線量でブリスタリングおよび表面変形を引き起こす。
• 十分な深さに達したヘリウムバブルの凝集は、圧縮されたヘリウムガスが効果的なストッピング媒体として作用することで、急激なブリスタ膨張（圧力 ~100–300 MPa）を引き起こす。
• ネオンイオンへの応用拡張により、マルチスケールかつ自由形状のナノ構造化が可能となり、ヘリウムを超える高度な材料改質の可能性が示された。