Découpant des motifs complexes aussi petits que plusieurs milliardièmes de mètre de profondeur et de largeur, le faisceau d'ions focalisé (FIB) est un outil essentiel pour déconstruire et imager de minuscules pièces industrielles afin de s'assurer qu'elles ont été fabriquées correctement. Lorsqu'un faisceau d'ions, généralement du gallium, un métal lourd, bombarde le matériau à usiner, les ions éjectent des atomes de la surface - un processus connu sous le nom de fraisage - pour sculpter la pièce.

Au-delà de ses utilisations traditionnelles dans l'industrie des semi-conducteurs, le FIB est également devenu un outil essentiel pour la fabrication de prototypes de dispositifs tridimensionnels complexes, allant des lentilles qui focalisent la lumière aux conduits qui canalisent le fluide. Les chercheurs utilisent également le FIB pour disséquer des échantillons biologiques et matériels afin d'imager leur structure interne.

Cependant, le processus FIB a été limité par un compromis entre haute vitesse et résolution fine. D'une part, l'augmentation du courant ionique permet à un FIB de couper plus profondément et plus rapidement dans la pièce. D'autre part, le courant accru transporte un plus grand nombre d'ions chargés positivement, qui se repoussent électriquement et défocalisent le faisceau. Un faisceau diffus plus grand, qui peut avoir un diamètre d'environ 100 nanomètres ou 10 fois plus large qu'un faisceau étroit typique, limite non seulement la capacité de fabriquer des motifs fins, mais peut également endommager la pièce au périmètre de la région fraisée. En conséquence, le FIB n'a pas été le processus de choix pour ceux qui essaient d'usiner de nombreuses pièces minuscules à la hâte.

Aujourd'hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert qu'un processus de masquage peut pratiquement éliminer ce compromis, permettant à un FIB d'usiner à courant élevé (et donc à grande vitesse) sans sacrifier la résolution fine. Cette découverte pourrait étendre considérablement l'utilité des FIB, non seulement pour les chercheurs fabriquant des prototypes et préparant des échantillons, mais également pour les fabricants de l'industrie des semi-conducteurs qui ont besoin d'une analyse, d'une réparation ou d'une personnalisation rapides des structures et des dispositifs.

"A la fois dans la recherche et dans la production, le besoin de vitesse est réel", a déclaré Andrew C. Madison, chercheur au NIST.

Madison et ses collègues du NIST, dont Samuel M. Stavis et un collaborateur du NanoCenter de l'Université du Maryland à College Park, ont comparé l'efficacité de deux processus pour obtenir une résolution fine avec un FIB. Dans un processus, les fabricants utilisent simplement un FIB avec un faisceau étroit à faible courant pour sculpter lentement mais soigneusement la pièce, de la même manière qu'un peintre avec un pinceau fin crée minutieusement des détails nets.

L'autre méthode utilise un faisceau plus large et à courant plus élevé avec un masque ou un film mince déposé sur la pièce. La région centrale et la plus intense du faisceau d'ions pénètre dans le masque et explose le matériau sous-jacent pour former le motif. La région extérieure et moins intense du faisceau est bloquée par le masque, protégeant l'échantillon des dommages sur les bords du motif.

Le processus de masquage est similaire à celui d'un peintre qui place du ruban de masquage sur les bords d'une large zone, puis utilise un rouleau plutôt qu'un pinceau fin pour peindre rapidement la large zone tout en obtenant des bords nets.

L'équipe du NIST a déterminé que des faisceaux de courant beaucoup plus élevé que la normale peuvent être utilisés sans compromettre les détails fins du motif. Des études antérieures examinant le masquage se concentraient uniquement sur l'amélioration de la résolution sans tenir compte de l'effet du masque sur la vitesse de fabrication. Alors que la résolution plus fine fournie par le processus de masquage ressortait clairement de ces études, les chercheurs du NIST ont découvert une amélioration beaucoup plus importante de la vitesse.

Les chercheurs ont utilisé l'oxyde de chrome comme masque, étudiant ses propriétés matérielles et comment les ions gallium du FIB interagissaient avec lui. Ils ont ensuite utilisé un faisceau large à courant élevé pour projeter un motif de test en damier dans du verre de silice. Ils ont découvert que le processus de masquage offrait non seulement une résolution aussi fine que le processus non masqué à faisceau étroit, mais qu'il broyait également l'échantillon beaucoup plus rapidement en raison du courant de faisceau plus élevé.

Encouragée par le résultat, l'équipe a ensuite utilisé le masque avec un large faisceau à courant élevé pour usiner des lentilles de Fresnel compactes - des versions microscopiques des lentilles de phare - qui sont utiles dans des dispositifs optiques allant des cellules solaires aux pièges à atomes. Même si le faisceau à courant élevé était environ 10 fois plus large que le faisceau à faible courant, la méthode a donné des lentilles qui ont fonctionné de la même manière avec une incertitude de 1 %. De cette manière, les chercheurs ont confirmé qu'ils pouvaient fabriquer des lentilles similaires 75 fois plus rapidement qu'avec le procédé conventionnel. "Si le temps c'est de l'argent, alors notre processus permet une grosse vente sur de petits objectifs - 75 pour le prix d'un", a déclaré Stavis. "Vous voulez moudre rapidement? Procurez-vous un masque", a-t-il ajouté.

L'équipe a rendu compte de ses conclusions dans Matériaux fonctionnels avancés . + Explorer plus loin

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