A sinistra:il processo FIB convenzionale richiede un fascio di ioni stretto e a bassa corrente per fabbricare una versione in miniatura di una lente faro in vetro di silice con risoluzione fine. Poiché il raggio ha una bassa corrente di ioni, il metodo richiede tempo. A destra:il posizionamento di uno strato protettivo di ossido di cromo sul vetro di silice consente ai macchinisti di utilizzare un raggio ionico con una corrente molto più elevata, consentendo loro di fabbricare le stesse lenti 75 volte più velocemente. Credito:Andrew C. Madison, Samuel M. Stavis/NIST
Tagliando schemi intricati piccoli come diversi miliardesimi di metro e larghi, il fascio ionico focalizzato (FIB) è uno strumento essenziale per la decostruzione e l'imaging di minuscole parti industriali per garantire che siano state fabbricate correttamente. Quando un raggio di ioni, tipicamente del gallio di metallo pesante, bombarda il materiale da lavorare, gli ioni espellono atomi dalla superficie, un processo noto come fresatura, per scolpire il pezzo.
Oltre ai suoi usi tradizionali nell'industria dei semiconduttori, il FIB è diventato anche uno strumento fondamentale per la fabbricazione di prototipi di dispositivi tridimensionali complessi, che vanno dalle lenti che focalizzano la luce ai condotti che incanalano il fluido. I ricercatori usano anche la FIB per sezionare campioni biologici e materiali per immaginare la loro struttura interna.
Tuttavia, il processo FIB è stato limitato da un compromesso tra alta velocità e risoluzione fine. Da un lato, l'aumento della corrente ionica consente a un FIB di tagliare il pezzo in modo più profondo e veloce. D'altra parte, l'aumento della corrente trasporta un numero maggiore di ioni caricati positivamente, che si respingono elettricamente e sfocano il raggio. Un raggio più grande e diffuso, che può avere un diametro di circa 100 nanometri o 10 volte più largo di un tipico raggio stretto, non solo limita la capacità di fabbricare motivi fini, ma può anche danneggiare il pezzo in lavorazione sul perimetro della regione fresata. Di conseguenza, il FIB non è stato il processo preferito da coloro che cercano di lavorare molti piccoli pezzi in fretta.
Ora i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno scoperto che un processo di mascheratura può virtualmente eliminare questo compromesso, consentendo a un FIB di lavorare ad alta corrente (e quindi ad alta velocità) senza sacrificare la risoluzione fine. La scoperta potrebbe ampliare notevolmente l'utilità delle FIB, non solo per i ricercatori che fabbricano prototipi e preparano campioni, ma anche per i produttori dell'industria dei semiconduttori che necessitano di analisi, riparazione o personalizzazione rapide di strutture e dispositivi.
"Sia nella ricerca che nella produzione, il bisogno di velocità è reale", ha affermato il ricercatore del NIST Andrew C. Madison.
Madison ei suoi colleghi del NIST, tra cui Samuel M. Stavis e un collaboratore dell'Università del Maryland NanoCenter a College Park, hanno confrontato l'efficienza di due processi per ottenere una risoluzione fine con un FIB. In un processo, i produttori utilizzano semplicemente un FIB con un raggio stretto e a bassa corrente per scolpire lentamente ma accuratamente il pezzo, in modo simile al modo in cui un pittore con un pennello sottile crea scrupolosamente dettagli nitidi.
L'altro metodo utilizza un raggio più ampio e a corrente più elevata insieme a una maschera, o film sottile, depositato sul pezzo. La regione centrale e più intensa del fascio ionico penetra nella maschera e fa esplodere il materiale sottostante per formare il modello. La regione esterna, meno intensa del raggio, viene bloccata dalla maschera, proteggendo il campione da danni ai bordi del pattern.
Il processo di mascheratura è simile a quello di un pittore che mette del nastro adesivo attorno ai bordi di un'area ampia e quindi utilizza un rullo anziché un pennello fine per dipingere rapidamente l'area ampia pur ottenendo bordi nitidi.
Il team del NIST ha stabilito che è possibile utilizzare fasci di corrente molto più elevata del normale senza compromettere i dettagli fini del pattern. Studi precedenti che hanno esaminato il mascheramento si sono concentrati solo sul miglioramento della risoluzione senza considerare l'effetto della maschera sulla velocità di fabbricazione. Mentre la risoluzione più fine fornita dal processo di mascheramento era chiaramente evidente da questi studi, i ricercatori del NIST hanno scoperto un miglioramento della velocità molto maggiore.
I ricercatori hanno utilizzato l'ossido di cromo come maschera, studiandone le proprietà del materiale e il modo in cui gli ioni gallio della FIB interagivano con esso. Hanno quindi impiegato un raggio ampio e ad alta corrente per far esplodere un modello di prova a scacchiera nel vetro di silice. Hanno scoperto che il processo di mascheratura non solo ha fornito una risoluzione altrettanto fine rispetto al processo a raggio stretto non mascherato, ma ha anche fresato il campione molto più velocemente a causa della corrente del raggio più elevata.
Incoraggiato dal risultato, il team ha quindi utilizzato la maschera con un raggio ampio e ad alta corrente per lavorare lenti di Fresnel compatte, versioni microscopiche delle lenti dei fari, che sono utili in dispositivi ottici che vanno dalle celle solari alle trappole atomiche. Anche se il raggio ad alta corrente era circa 10 volte più largo del raggio a bassa corrente, il metodo ha prodotto lenti che hanno ottenuto lo stesso risultato entro un'incertezza dell'1%. In questo modo, i ricercatori hanno confermato che potrebbero fabbricare lenti simili 75 volte più velocemente di quanto potrebbero fare utilizzando il processo convenzionale. "Se il tempo è denaro, il nostro processo consente una grande vendita di obiettivi piccoli, 75 al prezzo di uno", ha affermato Stavis. "Vuoi macinare velocemente? Procurati una maschera", ha aggiunto.
Il team ha riportato i propri risultati in Materiali funzionali avanzati . + Esplora ulteriormente
