FIB – เครื่องกลึงสำหรับงานระดับนาโนเมตร

นิกร มังกรทอง *

เครื่องกลึงเกิดขึ้นมาพร้อมกับการพัฒนาเทคโนโลยีทางด้านวัสดุเป็นเวลายาวนานแล้ว เมื่อต้องการอุปกรณ์สักอย่างหนึ่ง เช่น ตัว C-Clamp ก็จะทำมาจากแท่งเหล็กโดยการนำมาตัด ไส เจาะรู แล้วกลึงทำเกลียวจึงจะได้ตามที่ต้องการ หรือเมื่อต้องการที่จะ ต่อเหล็ก 2 ชิ้นให้กลายเป็นชิ้นเดียวกันจะต้องใช้เครื่องเชื่อมเพื่อเชื่อมโลหะ ซึ่งกระบวนการทั้งหมดอยู่ในระดับ 1 มิลลิเมตร – 1 เมตร ตาของมนุษย์สามารถมองเห็นและหยิบจับด้วยมือเปล่าได้สะดวก

แต่เมื่อวัสดุมีขนาดเล็กลงในระดับนาโนเมตรจะจะต้องมีเครื่องกลึงพิเศษที่มีความสามารถเป็นเครื่องกลึงในระดับนาโน นั่นก็คือเครื่อง FIB ( Focused ion beam) สามารถมองเห็นภาพในระดับนาโนด้วย SEM (scanning electron microscope) และสามารถตัด เจาะ ไสชิ้นงานด้วยเครื่อง FIB เปรียบเสมือนเลื่อย เครื่องเจาะ เครื่องไสในโรงงานกล สามารถเชื่อมด้วย GIS (Gas injection system ) และวัดขนาดด้วยซอฟแวร์ของเครื่องเปรียบเสมือนมีตลับเมตรอยู่ในตัว แล้วยังสามารถวิเคราะห์ ธาตุหรือชนิดของสารประกอบด้วย EDS ( X-ray analysis) และที่มีมากกว่าเครื่องกลึงทั่วไปก็คือ มี แท่นสำหรับวางชิ้นงาน ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิความชื้น และสามารถตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุสามารถปรับหมุนชิ้นงานได้เป็น 3 มิติในมุมต่าง ๆ ที่ต้องการได้ ซึ่งจะทำงานร่วมกับระบบสุญญากาศ ในระดับความดันต่างๆ สามารถบันทึกภาพการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ แบบภาพจริง ได้ เครื่อง FIB จึงเปรียบได้กับโรงงานกลในระดับไมโครเมตร-นาโนเมตรที่มีศักยภาพที่สูงอีกเครื่องหนึ่งในวงการ วิทยาศาสตร์ในปัจจุบันซึ่งเป็นที่สนใจของบริษัทต่างๆในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และอื่น ๆ

ในประเทศไทยมีเครื่อง FIB อยู่ประมาณ 4 เครื่อง โดยอยู่ในภาคอุตสาหกรรมของเอกชน 3 เครื่อง ส่วนใหญ่ใช้ในการตัดถ่าย ภาพชิ้นงาน แล้ววิเคราะห์เท่านั้น สำหรับอีก 1 เครื่องอยู่ที่คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเชียงใหม่เป็นรุ่น Quanta 200 3D Dual Beam ราคาประมาณ 21 ล้านบาท มีการใช้งานกว้างขวางมากกว่าเมื่อเทียบกับอีก 3 เครื่องที่มีใช้อยู่ในขณะนี้

เครื่อง FBI ได้พัฒนาออกมาหลายรุ่นด้วยกันซึ่งบางรุ่นมีสามารถดูภาพที่มีขนาดรายละเอียดถึง 2 นาโนเมตร แต่ขึ้นอยู่กับ ความต้องการใช้งานของผู้ใช้ และปัจจุบันนี้มีอยู่เพียง 2 บริษัทที่ผลิตเครื่องมือ FIB ในเชิงการค้าคือ FEI Company และ SII Nanotecnology Inc.

ซึ่งในที่นี้จะขอนำเสนอรายละเอียดเครื่อง FIB ของ FEI Company ที่มีอยู่ของคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่โดย เครื่องFIB ดังกล่าว จะมีส่วนประกอบสำคัญ คือ

รูปที่ 1 ขั้นตอนการตัด เจาะ เตรียมชิ้นงานภายในเครื่อง FIB [1]

รูปที่ 2 เครื่อง FIB ของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่

• SEM (E-Beam) ใช้ electron beam จากขดลวด Tungsten ในการตรวจดูภาพและถ่ายภาพต่างๆ ที่มีความละเอียด กำลังขยายสูงสุดประมาณ 100,000 เท่า

• FIB (I-Beam) ใช้ Gallium Ion Source ( Ga + ion) มีโมเมนตัมที่พลังงาน 30 kV เท่ากับ 3.4 x 10 -20 kgm/s เป็นแหล่งแสงสว่างสูงใช้ในการตรวจดูและเตรียมชิ้นงาน ได้แก่ ตัด เจาะ เชื่อม ทำลวดลายต่างๆทั้งพื้นผิว และภาพตัด ขวางที่มีขนาดเล็กประมาณช่วง 30 นาโนเมตร – 100 ไมโครเมตร ได้แก่ชิ้นงานที่แห้ง ทั้งนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า

• Gas injection system (GIS) ใช้แก๊ซได้แก่ Platinum และ Tungsten อยู่ในรูปของสารประกอบ ((CH 3 ) 3 Pt(C p CH 3 )) และ (W(CO) 6 ตามลำดับ สำหรับการ Deposition โดยอาศัย Gallium Ion Beam ให้พลังงาน เช่น ใช้ในการกระบวน การเชื่อม พอก และประดิษฐ์ขึ้นรูปต่างๆได้ ดังแสดงใน รูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดง Electron Beam, Ion Beam และ Gas injection system (GIS) กับ Gallium Ion Beam [1]

• X-ray analysis ( EDS) ใช้ในการตรวจวิเคราะห์ ธาตุและสารประกอบ ร่วมกับ SEM ของเครื่อง

• Omiprobe เป็นเข็ม ใช้สำหรับจับชิ้นงานจากที่หนึ่งไปเชื่อมติดกับอีกที่หนึ่ง โดยการบังคับทิศทางและระยะ ด้วยปุ่ม ควบคุมและโปรกแกรม และสังเกตด้วย E-Beam และ I-Beam เชื่อมติดและตัด ที่ปลายเข็มของ Omiprobe ขนาด 1 ไมโครเมตร

• Sub - stage เป็นแท่นสำหรับวางชิ้นงานสามารถหมุนและทำมุมเอียงต่างๆ เพื่อให้เห็นภาพชิ้นงานได้ 3 มิติ รอบด้าน

• สุญญากาศปรับได้ มีทั้งหมด 2 ระดับคือ

• High vacuum สำหรับเตรียมชิ้นงานและต้องการตรวจวิเคราะห์ทั้งพื้นผิวและภาคตัดขวางลายระเอียดของวัสดุสูงที่ระดับ ความดันประมาณ 9 x 10 -5 Pa (1 Pa ~ 10 -5 atm)

• Low vacuum สำหรับตรวจวิเคราะห์พื้นผิวชิ้นงานได้ทุกชนิด เช่น ชิ้นงานที่ไม่นำไฟฟ้า ชิ้นงานทางชีววิทยา ที่ระดับความดัน 10-400 Pa

ลักษณะการประยุกต์ใช้งานได้แก่ ด้านการตรวจวิเคราะห์ชิ้นงาน ทั้งพื้นผิว และลักษณะภาพตัดขวางในระดับไมโครเมตร ถึงนาโนเมตร ใช้งานด้านงานวิจัยสำหรับการประดิษฐ์ชิ้นงานลักษณะต่างๆ เพื่อการประยุกต์ใช้งาน เช่น ขั้วอิเล็กโทรด ลักษณะเข็มหรือเส้น และทำเป็นลวดลายต่าง ๆ ในระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตรได้ เป็นต้น ดัง รูปที่ 4 และ 5

ในปัจจุบันเครื่อง FIB ของคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อยู่ในช่วงเริ่มต้นการติดตั้งและเตรียมสถานที่ และเริ่มการดำเนินงานทดลองเดินเครื่อง ฝึกอบรมบุคลากรสำหรับควบคุมดูแลเครื่อง เพื่อใช้ในการศึกษาและวิจัยด้าน Biosensor, Device Fabrication และการให้บริการแก่ชุมชนด้านต่างๆ เช่นการฝึกอบรม การบริการตรวจวิเคราะห์ การเตรียมชิ้นงาน สำหรับการตรวจวิเคราะห์ SEM และ TEM และรวมถึงการร่วมทำวิจัยกับหน่วยงานต่างๆ เป็นต้น

ก                ข

 

รูปที่ 4 รูปที่ประดิษฐ์ขึ้นจากการทำ Deposit (ก) และเชื่อม (ข) [1]

ก                ข

รูปที่ 5 (ก) ชิ้นงานทางชีววิทยา (ข) ลวดลายที่เกิดจาก Ion Beam[1]

เอกสารอ้างอิง

[1] FEI Company., Tools for NANOTECH FEI Solutions Quanta 3D,. (2004).

[2] SII Nanotecnology Inc., Focused Ion Beam System SMI2000 series and options.

[3] http://www.s3.infm.it/fib.html,27/07/2550

กิตติกรรมประกาศ

เอกสารนี้ช่วยจัดเตรียมโดยนายมีชัย เทพนุรัตน์ นักวิจัยของศูนย์นาโนฯ คณะวิทยาศาสตร์ และ เครือข่ายความเป็นเลิศ ด้านวัสดุนาโนเฉพาะทางมหาวิทยาลัยเชียงใหม่

------------------------------------------------------------------------------------

* รองศาสตราจารย์ (ดร.) หัวหน้าศูนย์เครือข่ายความเป็นเลิศด้านวัสดุนาโนเฉพาะทาง มหาวิทยาลัยเชียงใหม่