En superhurtig proces til bearbejdning i nanoskala

Den fokuserede ionstråle (FIB) skærer indviklede mønstre så små som adskillige milliardtedele af en meter dybe og brede, og er et vigtigt værktøj til at dekonstruere og afbilde små industrielle dele for at sikre, at de er fremstillet korrekt. Når en stråle af ioner, typisk af tungmetallet gallium, bombarderer materialet, der skal bearbejdes, udstøder ionerne atomer fra overfladen - en proces kendt som fræsning - for at forme emnet.

Ud over dets traditionelle anvendelser i halvlederindustrien er FIB også blevet et kritisk værktøj til fremstilling af prototyper af komplekse tredimensionelle enheder, lige fra linser, der fokuserer lys til ledninger, der kanaliserer væske. Forskere bruger også FIB til at dissekere biologiske og materielle prøver for at afbilde deres indre struktur.

FIB-processen har dog været begrænset af en afvejning mellem høj hastighed og fin opløsning. På den ene side giver en forøgelse af ionstrømmen en FIB mulighed for at skære dybere og hurtigere ind i emnet. På den anden side bærer den øgede strøm et større antal positivt ladede ioner, som elektrisk frastøder hinanden og defokuserer strålen. En større, diffus stråle, som kan være omkring 100 nanometer i diameter eller 10 gange bredere end en typisk smal stråle, begrænser ikke kun evnen til at fremstille fine mønstre, men kan også beskadige emnet ved perimeteren af ​​det fræsede område. Som følge heraf har FIB ikke været den foretrukne proces for dem, der forsøger at bearbejde mange små dele i en fart.

Nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) opdaget, at en maskeringsproces praktisk talt kan eliminere denne afvejning, hvilket gør det muligt for en FIB at bearbejde ved høj strøm (og derfor høj hastighed) uden at ofre fin opløsning. Fundet kan dramatisk udvide anvendeligheden af ​​FIB'er, ikke kun for forskere, der fremstiller prototyper og forbereder prøver, men også for producenter i halvlederindustrien, som har brug for hurtig analyse, reparation eller tilpasning af strukturer og enheder.

"I både forskning og produktion er behovet for hurtighed reelt," sagde NIST-forsker Andrew C. Madison.

Madison og hans kolleger hos NIST, herunder Samuel M. Stavis og en samarbejdspartner fra University of Maryland NanoCenter i College Park, sammenlignede effektiviteten af ​​to processer til at opnå fin opløsning med en FIB. I én proces bruger fabrikanterne simpelthen en FIB med en lavstrøms, smal stråle til langsomt, men omhyggeligt at skulpturere emnet - svarende til den måde, en maler med en fin pensel møjsommeligt skaber skarpe detaljer.

Den anden metode anvender en højere strøm, bredere stråle sammen med en maske eller tynd film, der er afsat på emnet. Det centrale, mest intense område af ionstrålen trænger ind i masken og sprænger det underliggende materiale for at danne mønsteret. Det ydre, mindre intense område af strålen blokeres af masken, hvilket beskytter prøven mod beskadigelse ved mønsterets kanter.

Maskeringsprocessen ligner den for en maler, der sætter malertape rundt om kanterne på et bredt område og derefter bruger en rulle frem for en fin pensel til hurtigt at male det brede område, mens de stadig opnår skarpe kanter.

NIST-holdet fastslog, at stråler med meget højere strøm end normalt kan bruges uden at kompromittere de fine detaljer i mønsteret. Tidligere undersøgelser, der undersøgte maskering, fokuserede kun på at forbedre opløsningen uden at overveje maskens effekt på fremstillingshastigheden. Mens den finere opløsning tilvejebragt af maskeringsprocessen tydeligt fremgik af disse undersøgelser, opdagede NIST-forskerne en meget større forbedring af hastigheden.

Forskerne brugte chromoxid som en maske og studerede dets materialeegenskaber og hvordan galliumioner fra FIB interagerede med det. De brugte derefter en højstrøm, bred stråle til at sprænge et skakternet testmønster ind i silicaglas. De fandt ud af, at maskeringsprocessen ikke kun gav en lignende fin opløsning til den umaskerede, smalstrålende proces, men også fræsede prøven meget hurtigere på grund af den højere strålestrøm.

Opmuntret af resultatet brugte holdet derefter masken med en bred, højstrømsstråle til at bearbejde kompakte Fresnel-linser - mikroskopiske versioner af fyrtårnslinser - som er nyttige i optiske enheder lige fra solceller til atomfælder. Selvom højstrømsstrålen var omkring 10 gange bredere end svagstrømsstrålen, gav metoden linser, der ydede det samme med en usikkerhed på 1 %. På denne måde bekræftede forskerne, at de kunne fremstille lignende linser 75 gange hurtigere, end de kunne ved hjælp af den konventionelle proces. "Hvis tid er penge, så muliggør vores proces et stort salg på små linser - 75 til prisen af ​​en," sagde Stavis. "Vil du fræse hurtigt? Skaf dig en maske," tilføjede han.

Holdet rapporterede deres resultater i Avancerede funktionelle materialer . + Udforsk yderligere

En ny metode til at danne en linse til elektronmikroskoper med atomopløsning