Materialien im Nanomaßstab bearbeiten, Prototypen für die Mikroelektronik herstellen oder biologische Proben analysieren: Das Einsatzspektrum fein fokussierter Ionenstrahlen ist riesig. Experten der EU-Kollaboration FIT4NANO haben nun die vielfältigen Möglichkeiten geprüft und einen Fahrplan für die Zukunft entwickelt.
Der Artikel, veröffentlicht in Rezensionen zur Angewandten Physikrichtet sich an Studierende, Anwender aus Industrie und Wissenschaft sowie forschungspolitische Entscheidungsträger.
„Wir haben erkannt, dass fokussierte Ionenstrahlen auf viele verschiedene Arten eingesetzt werden können, und wir dachten, dass wir zu Beginn des Projekts einen guten Überblick hatten. Doch dann stellten wir fest, dass es viel mehr Anwendungen gibt, als wir dachten. In vielen Veröffentlichungen wurde der Einsatz.“ von fokussierten Ionenstrahlen wird nicht einmal explizit erwähnt, sondern im Methodenteil versteckt“, sagt Dr. Katja Höflich, Physikerin am Ferdinand-Braun-Institut und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), die den umfassenden Bericht koordiniert hat.
„Es war Detektivarbeit. Insbesondere haben wir Arbeiten aus den 1960er- und 1970er-Jahren gefunden, die ihrer Zeit voraus waren und zu Unrecht in Vergessenheit geraten. Auch heute noch liefern sie wichtige Erkenntnisse.“
Der Bericht bietet einen Überblick über den aktuellen Stand der Focused Ion Beam (FIB)-Technologie, ihre Anwendungen mit vielen Beispielen, die wichtigsten Geräteentwicklungen und Zukunftsaussichten.
„Wir wollten ein Nachschlagewerk bereitstellen, das für die akademische Forschung und industrielle F&E-Abteilungen nützlich ist, aber auch der Forschungsleitung hilft, sich in diesem Bereich zurechtzufinden“, sagt Dr. Gregor Hlawacek, Gruppenleiter am Institut für Ionenstrahlphysik und -materialien Forschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Hlawacek leitet das FIT4NANO-Projekt, ein EU-Projekt zu FIB-Technologien, an dem die Autoren des Berichts beteiligt sind.
Von der Grundlagenforschung bis zum fertigen Bauteil
FIB-Instrumente verwenden einen fokussierten Ionenstrahl von typischerweise zwei bis 30 Kiloelektronenvolt (keV). Mit seinem geringen Durchmesser im Nanometer- und Subnanometerbereich scannt ein solcher Ionenstrahl die Probe und kann deren Oberfläche nanometergenau verändern. FIB-Instrumente sind ein universelles Werkzeug zur Analyse, maskenlosen lokalen Materialmodifikation und zum schnellen Prototyping mikroelektronischer Komponenten. Die ersten FIB-Instrumente wurden in der Halbleiterindustrie zur Korrektur von Fotomasken mit fokussierten Galliumionen eingesetzt. Heute sind FIB-Instrumente mit vielen verschiedenen Ionenarten erhältlich.
Eine wichtige Anwendung ist die Vorbereitung von Proben für die hochauflösende, nanometergenaue Bildgebung im Elektronenmikroskop. FIB-Methoden werden auch in den Lebenswissenschaften eingesetzt, beispielsweise zur Analyse und Abbildung von Mikroorganismen und Viren mittels FIB-basierter Tomographie, die tiefe Einblicke in mikroskopische Strukturen und deren Funktion ermöglichen.
FIB-Instrumente entwickeln sich ständig in Richtung anderer Energien, schwererer Ionen und neuer Fähigkeiten weiter, beispielsweise der ortsaufgelösten Erzeugung einzelner Atomdefekte in ansonsten perfekten Kristallen. Eine solche FIB-Verarbeitung von Materialien und Komponenten hat ein enormes Potenzial in der Quanten- und Informationstechnologie. Das Anwendungsspektrum von der Grundlagenforschung bis zum fertigen Gerät, von der Physik, den Materialwissenschaften und der Chemie bis hin zu den Lebenswissenschaften und sogar der Archäologie ist absolut einzigartig.
„Wir hoffen, dass diese Roadmap wissenschaftliche und technologische Durchbrüche anregen und als Inkubator für zukünftige Entwicklungen dienen wird“, sagt Gregor Hlawacek.
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Katja Höflich et al, Roadmap für fokussierte Ionenstrahltechnologien, Rezensionen zur Angewandten Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0162597