Vänster:Den konventionella FIB-processen kräver en smal jonstråle med låg ström för att tillverka en miniatyrversion av en fyrlins i silikaglas med fin upplösning. Eftersom strålen har en låg jonström är metoden tidskrävande. Höger:Genom att placera ett skyddande lager av kromoxid över kiselglaset kan maskinister använda en jonstråle med mycket högre ström, vilket gör att de kan tillverka samma linser 75 gånger snabbare. Kredit:Andrew C. Madison, Samuel M. Stavis/NIST
Den fokuserade jonstrålen (FIB) skär intrikata mönster så små som flera miljarddels meter djupa och breda och är ett viktigt verktyg för att dekonstruera och avbilda små industridelar för att säkerställa att de tillverkades korrekt. När en stråle av joner, typiskt av tungmetallen gallium, bombarderar materialet som ska bearbetas, skjuter jonerna ut atomer från ytan - en process som kallas fräsning - för att skulptera arbetsstycket.
Utöver sina traditionella användningsområden inom halvledarindustrin har FIB också blivit ett viktigt verktyg för att tillverka prototyper av komplexa tredimensionella enheter, allt från linser som fokuserar ljus till ledningar som kanaliserar vätska. Forskare använder också FIB för att dissekera biologiska och materialprover för att avbilda deras inre struktur.
FIB-processen har dock begränsats av en avvägning mellan hög hastighet och fin upplösning. Å ena sidan, genom att öka jonströmmen, kan en FIB skära in i arbetsstycket djupare och snabbare. Å andra sidan bär den ökade strömmen ett större antal positivt laddade joner, som elektriskt stöter bort varandra och defokuserar strålen. En större, diffus stråle, som kan vara cirka 100 nanometer i diameter eller 10 gånger bredare än en typisk smal stråle, begränsar inte bara möjligheten att tillverka fina mönster utan kan också skada arbetsstycket vid omkretsen av det frästa området. Som ett resultat av detta har FIB inte varit den valda processen för dem som försöker bearbeta många små delar i all hast.
Nu har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) upptäckt att en maskeringsprocess praktiskt taget kan eliminera denna kompromiss, vilket gör att en FIB kan bearbeta med hög ström (och därför hög hastighet) utan att offra fin upplösning. Upptäckten kan dramatiskt utöka användbarheten av FIB, inte bara för forskare som tillverkar prototyper och förbereder prover, utan också för tillverkare inom halvledarindustrin som behöver snabb analys, reparation eller anpassning av strukturer och enheter.
"Inom både forskning och produktion är behovet av snabbhet verkligt", säger NIST-forskaren Andrew C. Madison.
Madison och hans kollegor på NIST, inklusive Samuel M. Stavis och en samarbetspartner från University of Maryland NanoCenter i College Park, jämförde effektiviteten hos två processer för att uppnå fin upplösning med en FIB. I en process använder tillverkarna helt enkelt en FIB med en lågström, smal stråle för att sakta men försiktigt skulptera arbetsstycket – på samma sätt som en målare med en fin pensel mödosamt skapar skarpa detaljer.
Den andra metoden använder en högre ström, bredare stråle tillsammans med en mask, eller tunn film, avsatt på arbetsstycket. Det centrala, mest intensiva området av jonstrålen penetrerar masken och spränger det underliggande materialet för att bilda mönstret. Den yttre, mindre intensiva delen av strålen blockeras av masken, vilket skyddar provet från skador vid mönstrets kanter.
Maskeringsprocessen liknar den för en målare som sätter maskeringstejp runt kanterna på ett brett område och sedan använder en rulle istället för en fin pensel för att snabbt måla det breda området samtidigt som de får skarpa kanter.
NIST-teamet fastställde att strålar med mycket högre ström än normalt kan användas utan att kompromissa med de fina detaljerna i mönstret. Tidigare studier som undersökte maskering fokuserade endast på att förbättra upplösningen utan att beakta maskens effekt på tillverkningshastigheten. Medan den finare upplösningen som maskeringsprocessen gav var tydligt uppenbar från dessa studier, upptäckte NIST-forskarna en mycket större förbättring av hastigheten.
Forskarna använde kromoxid som en mask, studerade dess materialegenskaper och hur galliumjoner från FIB interagerade med den. De använde sedan en högströms, bred stråle för att spränga ett rutmönster i kiselglas. De fann att maskeringsprocessen inte bara gav liknande fin upplösning som den omaskerade, smalstrålande processen, utan också malde provet mycket snabbare på grund av den högre strålströmmen.
Uppmuntrat av resultatet använde teamet sedan masken med en bred, högströmsstråle för att bearbeta kompakta Fresnel-linser - mikroskopiska versioner av fyrlinser - som är användbara i optiska enheter från solceller till atomfällor. Även om starkströmsstrålen var cirka 10 gånger bredare än lågströmsstrålen, gav metoden linser som presterade likadant med en osäkerhet på 1%. På detta sätt bekräftade forskarna att de kunde tillverka liknande linser 75 gånger snabbare än de kunde med den konventionella processen. "Om tid är pengar, så möjliggör vår process en stor försäljning på små linser - 75 till priset av en", sa Stavis. "Vill du fräsa snabbt? Skaffa dig en mask," tillade han.
Teamet rapporterade sina resultat i Avancerade funktionella material . + Utforska vidare
