De gerichte ionenstraal (FIB) snijdt ingewikkelde patronen zo klein als enkele miljardsten van een meter diep en breed en is een essentieel hulpmiddel voor het deconstrueren en afbeelden van kleine industriële onderdelen om ervoor te zorgen dat ze correct zijn gefabriceerd. Wanneer een bundel ionen, meestal van het zware metaal gallium, het te bewerken materiaal bombardeert, stoten de ionen atomen uit het oppervlak - een proces dat bekend staat als frezen - om het werkstuk te vormen.

Naast het traditionele gebruik in de halfgeleiderindustrie, is de FIB ook een cruciaal hulpmiddel geworden voor het vervaardigen van prototypen van complexe driedimensionale apparaten, variërend van lenzen die licht focussen tot leidingen die vloeistof kanaliseren. Onderzoekers gebruiken de FIB ook om biologische en materiële monsters te ontleden om hun interne structuur in beeld te brengen.

Het FIB-proces is echter beperkt door een afweging tussen hoge snelheid en fijne resolutie. Enerzijds zorgt het verhogen van de ionenstroom ervoor dat een FIB dieper en sneller in het werkstuk kan snijden. Aan de andere kant draagt ​​de verhoogde stroom een ​​groter aantal positief geladen ionen, die elkaar elektrisch afstoten en de bundel defocusseren. Een grotere, diffuse straal, die ongeveer 100 nanometer in diameter kan zijn of 10 keer breder dan een typische smalle straal, beperkt niet alleen het vermogen om fijne patronen te fabriceren, maar kan ook het werkstuk aan de rand van het gefreesde gebied beschadigen. Als gevolg hiervan is de FIB niet het favoriete proces geweest voor diegenen die haastig veel kleine onderdelen proberen te bewerken.

Nu hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ontdekt dat een maskeerproces deze wisselwerking vrijwel kan elimineren, waardoor een FIB met hoge stroom (en dus hoge snelheid) kan werken zonder de fijne resolutie op te offeren. De bevinding zou de bruikbaarheid van FIB's drastisch kunnen vergroten, niet alleen voor onderzoekers die prototypes vervaardigen en monsters voorbereiden, maar ook voor fabrikanten in de halfgeleiderindustrie die snelle analyse, reparatie of aanpassing van structuren en apparaten nodig hebben.

"In zowel onderzoek als productie is de behoefte aan snelheid reëel", zegt NIST-onderzoeker Andrew C. Madison.

Madison en zijn collega's bij NIST, waaronder Samuel M. Stavis en een medewerker van het NanoCenter van de Universiteit van Maryland in College Park, vergeleken de efficiëntie van twee processen voor het bereiken van fijne resolutie met een FIB. In één proces gebruiken verwerkers eenvoudig een FIB met een lage stroomsterkte, smalle straal om het werkstuk langzaam maar zorgvuldig te boetseren - vergelijkbaar met de manier waarop een schilder met een fijn penseel nauwgezet scherpe details creëert.

De andere methode maakt gebruik van een bredere bundel met een hogere stroomsterkte, samen met een masker of dunne film die op het werkstuk wordt afgezet. Het centrale, meest intense gebied van de ionenstraal dringt door het masker en blaast het onderliggende materiaal op om het patroon te vormen. Het buitenste, minder intense gebied van de straal wordt geblokkeerd door het masker, waardoor het monster wordt beschermd tegen beschadiging aan de randen van het patroon.

Het maskeerproces is vergelijkbaar met dat van een schilder die maskeertape rond de randen van een groot gebied aanbrengt en vervolgens een roller gebruikt in plaats van een fijne borstel om het brede gebied snel te schilderen terwijl hij nog steeds scherpe randen krijgt.

Het NIST-team heeft vastgesteld dat stralen met een veel hogere stroomsterkte dan normaal kunnen worden gebruikt zonder de fijne details van het patroon in gevaar te brengen. Eerdere onderzoeken naar maskering waren alleen gericht op het verbeteren van de resolutie zonder rekening te houden met het effect van het masker op de fabricagesnelheid. Terwijl de fijnere resolutie die door het maskeringsproces werd geleverd duidelijk uit deze onderzoeken bleek, ontdekten de NIST-onderzoekers een veel grotere verbetering in snelheid.

De onderzoekers gebruikten chroomoxide als masker en bestudeerden de materiaaleigenschappen ervan en hoe galliumionen van de FIB ermee in wisselwerking stonden. Vervolgens gebruikten ze een brede straal met hoge stroomsterkte om een ​​​​dambordtestpatroon in silicaglas te blazen. Ze ontdekten dat het maskeringsproces niet alleen een even fijne resolutie opleverde als het ontmaskerde, smalle bundelproces, maar het monster ook veel sneller freesde vanwege de hogere bundelstroom.

Aangemoedigd door het resultaat gebruikte het team vervolgens het masker met een brede, krachtige bundel om compacte Fresnel-lenzen te bewerken - microscopische versies van vuurtorenlenzen - die nuttig zijn in optische apparaten, variërend van zonnecellen tot atoomvallen. Hoewel de bundel met hoge stroomsterkte ongeveer 10 keer breder was dan de bundel met lage stroomsterkte, leverde de methode lenzen op die hetzelfde presteerden met een onzekerheid van 1%. Op deze manier bevestigden de onderzoekers dat ze vergelijkbare lenzen 75 keer sneller konden maken dan met het conventionele proces. "Als tijd geld is, maakt ons proces een grote verkoop van kleine lenzen mogelijk - 75 voor de prijs van één", zegt Stavis. 'Wil je snel frezen? Haal een masker voor je,' voegde hij eraan toe.

Het team rapporteerde hun bevindingen in Advanced Functional Materials . + Verder verkennen

Een nieuwe methode om een ​​lens te vormen voor elektronenmicroscopen met atomaire resolutie