MÉTODO PARA FABRICAR NANOAGUJAS EN ZONAS DE INTERÉS LOCALIZADAS EN EL INTERIOR DE MUESTRAS SÓLIDAS A ESCALA NANOMÉTRICA.

Método para fabricar nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica.

Este método está relacionado con la preparación de muestras por FIB para su análisis por cualquier técnica donde es interesante estudiar una característica independiente del material, o donde es útil tener una característica concreta en una nanoaguja como para la fabricación de nanoagujas SNOM. La preparación de muestra por FIB permite seleccionar características concretas de la superficie de la muestra a escala nanométrica, pero cuando la zona de interés está localizada en el interior de una muestra sólida, es necesario una nueva metodología. Este método se presenta en la presente invención, donde se combina fabricación por FIB incluyendo la introducción de marcas en una capa de material electron-transparente y la observación por TEM, de modo que se consigue seleccionar una característica concreta del interior del material y fabricar una nanoaguja con ella.

copía de fuerza atómica, basados en ataque químico Método para fabricar nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica. Sector de la técnica La invención está relacionada con la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica; en concreto, está relacionada con la fabricación de nanoagujas alrededor de zonas particulares de la muestra usando un haz de iones focalizado, para diferentes aplicaciones como el análisis de ciertas zonas de la muestra por técnicas de microscopía electrónica como tomografía electrónica, o cualquiera otra técnica, o en general para aplicaciones donde es interesante tener una característica microestructural concreta dentro de una nanoaguja. Por ejemplo, para la fabricación de nanoagujas SNOM (Near-field scanning optical microscopy, microscopía óptica de barrido de campo cercano) con propiedades ópticas controladas y determinadas por una características particular localizada en la nanoaguja, o para nanoagujas para otras técnicas como UFM (ultrasonic force microscopy, microscopía de fuerza ultrasónica) . Por lo tanto, se puede englobar en el campo de la Nanotecnología. Estado de la técnica La fabricación de nanoagujas de distintos materiales tiene una gran variedad de aplicaciones, desde la preparación de muestra para análisis por microscopía electrónica de transmisión (TEM) u otras técnicas, hasta la fabricación de nanoagujas para técnicas como microscopía óptica de barrido de campo cercano. Por ejemplo, la optimización de la tomografía electrónica requiere un espesor uniforme de la muestra durante todo el rango de giro, así como una geometría de la muestra que permita el máximo grado de inclinación; estos requerimientos sólo se pueden conseguir con muestras en forma de aguja. Debido a esto, en los últimos años ha habido una investigación intensiva en la forma de fabricar estas nanoagujas, para optimizar sus características para distintas aplicaciones.

Así, tradicionalmente el electropulido ha sido una de las principales técnicas para fabricar nanoagujas para algunas aplicaciones como microscopía de sonda atómica (Melmed, A. J., The art and science and other aspects of making sharp tips. J. Vac. Sci. Technol. B 1991, 9, (2) , 601-608) . Otros métodos para fabricar nanoagujas están basados en ataque químico selectivo (Kim, Y. C.; Seidman, D. N., An electrochemical etching procedure for fabricating scanning tunneling microscopy and atom-probe field-ion microscopy tips. Met. Mater. Int. 2003, 9, (4) , 399-404) , a veces aplicado tras litografía (Larson, D. J.; Wissman, B. D.; Martens, R. L.; Viellieux, R. J.; Kelly, T. F.; Gribb, T. T.; Erskine, H. F.; Tabat, N., Advances in atom probe specimen fabrication from planar multilayer thin film structures. Microsc. microanal. 2001, 7, (1) , 24-31) o tras el corte mecánico de la muestra (Morris, R. A.; Martens, R. L.; Zana, I.; Thompson, G. B., Fabrication of high-aspect ratio Si pillars for atom probe “lift-out” and field ionization tips. Ultramicroscopy 2009, 109, (5) , 492-496) . Se han propuesto otros métodos más específicos para fabricar nanoagujas con propiedades magnéticas definidas para microscopía de barrido de fuerza magnética, basada en la descomposición selectiva de compuestos orgánicos volátiles por medio de un haz de iones focalizado (US (US Patent Number 6, 457, 350 B1 y 5, 611, 942) . Además, se han usado métodos basados en el ataque con un haz de iones para fabricar agujas con una apertura para su uso en microscopía óptica de barrido de campo cercano (US Patent Number 6, 633, 711 B1) , para agujas para microscopía de barrido de sonda o incluso para fabricar filamentos de emisión de electrones (US Patent Number 5, 727, 978) .

El uso de métodos basados en ataque con haces de iones focalizados con un sistema de barrido de doble haz (haz de iones focalizados y haz de electrones) al que llamaremos FIB a partir de ahora ha demostrado ser una forma rápida y fiable de fabricar nanoagujas de una gran variedad de materiales (Miller, M. K.; Russell, K. F.; Thompson, G. B., Strategies for fabricating atom probe specimens with a dual beam FIB. Ultramicroscopy 2005, 102, (4) , 287-298;Thompson, K.; Lawrence, D.; Larson, D. J.; Olson, J. D.; Kelly, T. F.; Gorman, B., In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy 2007, 107, (2-3) , 131-139) . La forma más extendida de fabricar nanoagujas consiste en atacar la muestra sólida con un patrón en forma de anillo con diámetro variable (el llamado Annular Milling Method, AMM) (Miller, M. K.; Russell, K. F.; Thompson, G. B., Strategies for fabricating atom probe specimens with a dual beam FIB. Ultramicroscopy 2005, 102, (4) , 287298; Larson, D. J.; Foord, D. T.; Petford-Long, A. K.; Liew, H.; Blamire, M. G.; Cerezo, A.; Smith, G. D.

W. In Field-ion specimen preparation using focused ion-beam milling, Irbid, Jordan, Sep 12-18, 1998; Elsevier Science Bv: Irbid, Jordan, 1998; pp 287-293) . Sin embargo, se han propuesto otras formas de fabricar nanoagujas con el FIB, como cortar un hilo horizontal de la superficie de la muestra y llevarlo a una rejilla (Saxey, D. W.; Cairney, J. M.; McGrouther, D.; Honma, T.; Ringer, S. P., Atom probe specimen fabrication methods using a dual FIB/SEM. Ultramicroscopy 2007, 107, (9) , 756-760) , o el método cut-out, donde a una lámina adelgazada se le cortan ambos lados dejando un pillar de reducido tamaño en medio (Saxey, D. W.; Cairney, J. M.; McGrouther, D.; Honma, T.; Ringer, S. P., Atom probe specimen fabrication methods using a dual FIB/SEM. Ultramicroscopy 2007, 107, (9) , 756-760) . La principal ventaja de la fabricación de nanoagujas por FIB consiste en que la zona de interés donde se fabricará la aguja puede ser seleccionada de la superficie de la muestra con una precisión del orden del nanómetro, lo cual no se puede conseguir con otras técnicas como electropulido. Sin embargo, cuando la zona de interés necesita ser seleccionada de características estructurales localizadas en el interior de la muestra sólida (y la mayoría de las veces estas características estructurales no son visibles con el detector de electrones secundarios del FIB incluso aunque estuvieran en la superficie) la preparación presenta complicaciones adicionales, y hasta el momento, sólo algunos avances en la instrumentación utilizada ha permitido superar esta dificultad. Por ejemplo, la observación de puntos cuánticos de InAs desde varias direcciones fabricando un pilar que incluya uno de esos puntos cuánticos ha sido posible usando un microscopio electrónico equipado con un sistema FIB, donde es posible hacer el ataque iónico in-situ (Inoue, T.; Kita, T.; Wada, O.; Konno, M.; Yaguchi, T.; Kamino, T.; Ieee, Multidirectional transmission electron microscope observation of a single InAs/GaAs self-assembled quantum dot. In 2007 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, Conference Proceedings, Ieee: New York, 2007; pp 579-581) . Se han publicado otros estudios relacionados con la preparación de muestra en zonas de la muestra localizadas debajo de su superficie, como el análisis de bordes de grano (Pérez-Willard, F.; Wolde-Giorgis, D.; Al-Kassab, T.; López, G. A.; Mittemeijer, E. J.; Kirchheim, R.; Gerthsen, D., Focused ion beam preparation of atom probe specimens containing a single cr y stallographically welldefined grain boundar y . Micron 2008, 39, (1) , 45-52)

o de grietas de corrosión por estrés (Lozano-Perez, S., A guide on FIB preparation of samples containing stress corrosion crack tips for TEM and atom-probe analysis. Micron 2008, 39, (3) , 320-328) , pero en estos casos el defecto o ya es visible con el detector de electrones secundarios porque alcanza la superficie de la muestra, o se puede hacer visible en la superficie mediante ataque químico o pulido.

En la presente invención, se muestra un proceso de fabricación para obtener nanoagujas en lugares específicos localizados en el interior de una muestra sólida, usando un FIB comercial equipado con un detector de electrones secundarios. La utilización de este método se ejemplifica aplicándolo a una muestra de puntos cuánticos de InAs/GaAs crecida por la técnica de epitaxia de gota (Alonso-González, P.; Alen, B.; Fuster, D.; González, Y.; González, L.; Martinez-Pastor, J., Formation and optical characterization of single InAs quantum dots grown on GaAs nanoholes. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, (16) . Se ha diseñado un método que engloba preparación por FIB y observación mediante TEM convencional para encontrar la localización de la característica estructural de interés y fabricar una nanoaguja exactamente en esa posición.... [Seguir leyendo]

1. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, que partiendo del depósito de una capa de material protector en la superficie de la muestra, la eliminación del material de la muestra a ambos lados de la capa protectora de manera que se deje una capa fina de muestra, la unión de dicha capa fina de muestra a un micromanipulador, cortar la unión entre la capa fina de material y el resto de la muestra, y llevar dicha capa fina de material con el micromanipulador a una rejilla de microscopía electrónica de transmisión, comprende los siguientes pasos:

• Fabricación de una capa de material electróntransparente unida a una rejilla de TEM.

• Grabar una serie de marcas en la superficie de la capa de material en sección transversal con un haz de iones focalizados.

• Llevar la capa de material marcado al TEM para localizar la zona de interés.

• Grabar una marca en la superficie superior de la capa protectora justo sobre la zona de interés con un haz de iones focalizados.

• Fabricar una nanoaguja en la posición señalada por esta nueva marca con el haz de iones focalizados.

2. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde la capa de material formada por ataque iónico tiene un espesor de entre 20 y 350 nm.

3. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde el voltaje de aceleración del haz de iones está en el rango 5 kV-30 kV, y la corriente está en el rango 1 pA-20 nA.

4. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación

1, donde el haz de iones focalizados es de iones Ga, de iones Au, de iones Ar, de iones Li, e iones Be, de iones He o de iones de Au-Si-Be.

5. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde las marcas deben ser visibles tanto en TEM como en FIB.

6. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde las marcas deben tener la densidad y tamaño apropiadas de modo que la posición de la zona de interés se pueda localizar a partir de la posición de las marcas con un error de localización suficientemente pequeño como para alcanzar el objetivo del método.

7. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde la marca en la superficie superior de la capa protectora grabada con el haz de iones tenga cualquier forma geométrica de modo que cumpla que la zona en cuestión sea inequívocamente localizable al observarla desde su superficie con el haz de iones.

8. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde el tamaño de la marca en la superficie superior de la capa protectora sea inferior al tamaño final que tendrá la nanoaguja.

9. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1, donde la nanoaguja se fabrica recomendablemente con un patrón en forma de anillo, o con cualquier otro de los procedimientos mencionados en la literatura que tengan la precisión requerida.

10. Método para la fabricación de nanoagujas en zonas de interés localizadas en el interior de muestras sólidas a escala nanométrica, según la reivindicación 1 donde la nanoaguja se fabrica con una serie de corrientes lo suficientemente pequeñas como para que dicha nanoaguja tenga un diámetro reducido, dichas corrientes dependerán del material con el que se esté trabajando.