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Ion milling

L' Ion milling è una tecnica di rimozione fisica che è considerata un passo cruciale nella preparazione dei materiali da analizzare. Dopo che il campione è stato sottoposto a ion milling, la superficie diventa più liscia e quindi può essere studiata più facilmente. L'apparato di ion milling genera particelle di alta energia allo scopo di rimuovere materiale dalla superficie del campione, in maniera simile a come la sabbia porta via le asperità nei canyon creando delle superfici lisce. Relativamente ad altre tecniche, l'operazione di ion milling crea meno danneggiamenti delle superfici, quindi tale tecnica è considerata ottimale per eseguire analisi superficiali.

Gli apparati di ion milling contemporaneamente agiscono mediante sputtering ed erosione. Lo sputtering interviene in quanto ioni di alta energia bombardano la superficie. Gli ioni urtano gli atomi e le molecole superficiale e li scalzano. Gli ioni bombardano la superficie del campione e l'energia è trasferita dagli ioni agli atomi superficiali. Se l'energia trasferita supera l'energia di legame dell'atomo colpito, esso viene rimosso dalla superficie. Materiale che spunta ha minore energia di legame ed è preferibilmente espulso mediante sputtering. Come il processo di ion milling procede, la superficie del campione è lentamente erosa, diventando una superficie sottile e piatta, senza danneggiamenti. Si possono ottimizzare i processi cambiando l'angolo di incidenza degli ioni, la loro energia e il tipo di ioni usato.

Le sorgenti ioniche hanno un ruolo fondamentale nell'ion milling. Il loro design e operatività sono cruciali per produrre i risultati corretti. La sorgente ionica più comunemente usata è costituita da una antenna a Radio Frequenza (RF) e un campo elettrico in corrente continua allo scopo di generare e accelerare ioni da un gas, tipicamente un gas nobile quale argon o xenon. Il campo a RF è usato per ionizzare in maniera controllata e molto efficiente. Una sorgente ionica a RF può efficientemente produrre ioni creando un campo elettrico alternato in una cavità risonante. La frequenza usata è di parecchi megahertz, in quanto funziona bene per molti gas usati. Il campo a RF provoca molti cicli di ionizzazione che creano un plasma. Il campo elettrico alternato ionizza il gas strappando gli elettroni e lasciando gli ioni positivi. Gli ioni sono in seguito accelerati fuori dal plasma dal campo elettrico in corrente continua. Un elettrodo estrattore con un campo elettrico in corrente continua accelera gli ioni in direzione del campione a causa della differenza di potenziale tra il plasma e l'elettrodo. La sinergia tra campo RF e DC è cruciale per ottimizzare il funzionamento della sorgente ionica. La precisa combinazione tra questi campi fornisce al fascio ionico le specifiche caratteristiche necessarie, come energia e corrente.

Per garantire che la superficie sia erosa in maniera uniforme, il campione deve essere mantenuto sul posto mentre agisce l'ion milling. Il campione di per se ha bisogno di avere una superficie piana e pulita. Prima dell'ion milling la superficie dovrebbe essere abbastanza piatta poiché il processo non rimuove molto materiale. Se la superficie del campione è sporca o ha particelle su di se, l'ion milling agirà solo sul primo strato superficiale piuttosto che sulla superficie del campione.

Schema di un impianto per ion milling

Struttura base di un impianto di ion milling

Un sistema di ion milling (o ion beam etching, IBE) è fondamentalmente una camera da vuoto con:

• una sorgente di ioni (ion gun), spesso di tipo Kaufman (a griglia o a catodo cavo);
• un gas inerte (di solito Argon);
• un substrato (il campione da incidere), posto a una certa distanza e inclinato rispetto al fascio;
• pompe turbomolecolari per raggiungere pressioni molto basse (10^-4–10^-3 Torr).

Il principio è sputtering fisico: ioni accelerati impattano sulla superficie e rimuovono atomi tramite trasferimento di quantità di moto. Non avvengono reazioni chimiche significative, a differenza del Reactive Ion Etching.

Formazione del plasma nella sorgente di ioni

Innesco del plasma: si introduce un flusso di gas Ar a bassa pressione (tipicamente 10^-4–10^-3 Torr). Si applica una tensione elevata tra catodo e anodo (qualche centinaio di volt). Alcuni elettroni liberi vengono accelerati, ionizzando gli atomi di Ar per impatto. Il plasma si autosostiene finché il bilancio tra ioni ed elettroni rimane neutro. Un sistema di griglie a potenziale negativo (da +300 V a +2000 V rispetto al plasma) estrae e accelera gli ioni. Le griglie collimano il fascio in direzione quasi perpendicolare al campione. Gli ioni emergono con energie tipiche 300 eV – 2 keV (in certi casi fino a 10 keV nei sistemi di ricerca).

Uso con microscopio elettronico a trasmissione (TEM)

Per ottenere lamelle sottili (tipicamente <100 nm) necessarie al TEM, l’ion milling si inserisce nella catena di preparazione dopo taglio, incollaggio e lucidatura meccanica. Sistemi come il Duo-Mill Ion Milling System di Gatan o il Precision Ion Polishing System (PIPS) vengono utilizzati per:

1. Assottigliamento grossolano a energie intermedie (5–10 keV) per asportare rapidamente materiale.
2. Finitura a basse energie (≤2 keV) per rimuovere lo strato amorfo superficiale e ridurre i danni da bombardamento. Questi passaggi assicurano una lamella con danneggiamenti minimi, essenziale per HRTEM e STEM ad alta risoluzione.

Uso con Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS)

La tecnica di XPS è utilizzata per analizzare la composizione chimica della superficie. Il campione viene irradiato con raggi X e viene misurata l'energia degli elettroni fotoemessi. E' una tecnica di spettroscopia fotoelettronica che analizza gli atomi presenti nei primi 1–10 nm di superficie, determinandone la composizione elementare e lo stato chimico tramite misure di energia di legame degli elettroni espulsi dai fotoni X. Tuttavia, contaminazioni, ossidi superficiali non voluti o strati danneggiati durante le lavorazioni meccaniche degradano il segnale; per questo si ricorre all’ion milling (tipicamente con Ar⁺) per:

• Rimuovere layer organici, ossidi o residui di polimeri.
• Ottenere superfici piane e fresche, libere da artefatti indotti da processi preliminari. * Consentire analisi XPS rappresentative della vera chimica di interfaccia.

Esempio di un Ion milling per pulizia: energia 1–3 keV, angolo di incidenza 30°–45° per minimizzare la distruzione della struttura di superficie. Rimozione controllata di 1–5 nm per ciascun step, seguita da scansione XPS.

Mentre se si vuole fare appiattimento: milling a basso angolo (<10°) per livellare microscopici rilievi senza eccessivo irruvidimento. Utile su materiali eterogenei (leghe, film multistrato) per ridurre la dipendenza del segnale dall’angolo di emissione.

Profilometria di profondità

Alternando cicli di ion milling e scansioni XPS si ricava la concentrazione degli elementi in funzione della profondità. Si usa una modalità ciclica cioè milling→XPS→milling→XPS… ottenendo la concentrazione con risoluzione in profondità di 5–10 nm a seconda dell’energia degli ioni e dell’angolo di sputtering. Viene usata anche nell'analisi di strati sottili (semiconduttori, strati protettivi), interfacce in dispositivi 3D, diffusione di droganti.

Analisi XPS dopo ion milling

La tecnica XPS determina la chimica superficiale ed è in grado di misurare ogni cambio di composizione chimica indotta dall'ion milling. Questa analisi può chiarire quanto danneggiamento della superficie è stato causato dal bobardamento mediante ion milling.

Analisi

Analizzare e monitorare il processo di ion milling è cruciale per ottenere i risultati sperati e la loro qualità. Ci sono molte tecniche e strumentazione che vengono utlizzati per analizzare il processo.

Microscopio elettronico a scansione (SEM)

Il SEM è usato per analizzare la morfologia della superficie dei campioni dopo l'ion milling. La immagini SEM certificano la rimozione del materiale e la rugosità della superficie. Livella superfici non uniformi (es. ceramici, polimeri, materiali compositi), consentendo una mappatura chimica (EDS/EDX) e cristallografica (EBSD) più accurata. Molti centri attrezzati dispongono di sistemi ion milling affiancati al SEM-FEG.

Spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS)

SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) usa un fascio ionico primario, lo stesso principio dell’ion milling, per sputterare atomi dalla superficie di un campione. Gli ioni secondari emessi (positivi e/o negativi) vengono raccolti e separati in base al rapporto massa/carica, fornendo un’impronta composizionale estremamente sensibile per gli elementi e gli isotopi presenti negli strati più superficiali. Per ottenere profili in profondità, l’ion milling asporta progressivamente materiale, mentre la spettrometria SIMS misura in tempo reale la composizione di ogni “strato” rimosso. La risoluzione in profondità può scendere a pochi nanometri, dipendente dall'energia del fascio e dall'angolo di incidenza, consentendo indagini precise di interfacce e difetti critici nei dispositivi microelettronici.

Nella spettrometria di massa a ioni secondari (SIMS), la scelta del fascio ionico primario è cruciale per massimizzare la resa di ioni secondari dalle superfici campione. I fasci di ioni ossigeno (O₂⁺) e Cesio (Cs⁺) sono i più comunemente utilizzati per ottenere, rispettivamente, un incremento degli ioni positivi e negativi. In particolare:

1. O₂⁺: Migliora l’ionizzazione di ossidi e metalli. Meccanismo: Il bombardamento con O₂⁺ crea in superficie specie ossidanti che favoriscono la formazione di ioni positivi, potenziando il segnale per elementi metallici e composti ossidici.
2. Cs⁺ : Potenzia la produzione di ioni negativi da elementi elettronegativi. Meccanismo: Il Cesio depositato sulla superficie abbassa la soglia di ionizzazione negativa, aumentando l’efficienza di rilevazione di S, Cl, P e altri non‐metalli.

Questa selezione mirata del fascio primario ottimizza la ionizzazione chimica in superficie, garantendo segnali più intensi e riproducibili sui materiali semiconduttori e metallici.

Tecniche di misura in situ

Le tecniche di misura in situ osservano il processo di ion milling in tempo reale. Tra le varie tecniche mensioniamo la spettroscopia di emissione ottica. L'analisi spettrale della luce emessa durante il processo fornisce informazioni sulla composizione del plasma.

Fascio ionico focalizzato (Focused Ion Beam FIB )

Il fascio ionico focalizzato (FIB) può essere considerato una variante a fascio focalizzato dell’ion milling, adattata alla micro e nanofabbricazione e alla preparazione di campioni di precisione. Il FIB è una tecnica ormai fondamentale, sia per la preparazione di campioni destinati a SEM e TEM, sia per la microfabbricazione di strutture nanometriche.

Immagine SEM di un campione preparato con un FIB per la microscopia elettronica a trasmissione.

Il FIB parte dallo stesso principio fisico dell'ion milling— sputtering da ioni accelerati — ma, a differenza dell’ion milling tradizionale, che usa tipicamente un fascio ampio e inclinato, nel FIB gli ioni incidono quasi perpendicolarmente e sono focalizzati fino a pochi nm.

Questo trasforma un processo globale in uno localizzato e preciso, quasi una penna ionica usate per rimuovere o tagliare nanostrutture ma anche per deporrere. A differenza delle tecniche di etching di area usate nella microelettronica, il FIB lavora in modo puntuale e diretto (direct-write). Può quindi rimuovere materiale in regioni selezionate del campione con precisione nanometrica, creando microcanali, sezioni sottili o aperture senza necessità di maschere fotolitografiche.

Il FIB usa in genere ioni Ga⁺ invece di Ar⁺ (per facilità di emissione da sorgenti LMIS). Il fascio è scansionabile e focalizzato, simile a quello di un SEM. Permette etching controllato, deposizione indotta da fascio ionico e imaging ionico. È spesso integrato con un SEM dual-beam, per fare osservazioni in tempo reale.

Una delle applicazioni più diffuse è la preparazione di lamelle ultrasottili (lift-out) per TEM, con spessori dell’ordine di 50–100 nm come quella mostrata nella figura accanto.

BIBLIOGRAFIA

• Madou, Marc J. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, three-volume set., CRC Press, 4ª ed.; capitolo 2 (2018).
• Harry Bernas; Materials science with ion beams; Springer (2009).
• Nan Yao; Focused ion beam systems: basics and applications; Cambridge University Press (2007).

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