Problema cheie în tehnologia IBM este operarea unui fascicul de ioni cu parametri de proces corespunzători, cum ar fi dimensiunea fasciculului de ioni, forma și timpul de așteptare pentru îndepărtarea unui volum specificat de material dintr-o zonă localizată predefinită (Tseng 2004).

Metoda de modelare bitmap

Sistemul de modelare FIB permite importarea unui fișier bitmap ca un model, pentru care timpul de așteptare (dwell time) pentru fiecare pixel al locației fasciculului de ioni este normalizat la contrastul de culoare al bitmap-ului. Un fișier bitmap trebuie salvat ca fișiere bitmap pe 24 de biți. Fiecare pixel este format dintr-o componentă roșie, verde și albastră (RGB). Componenta verde determină dacă fasciculul este gol sau nu. Când desenați un bitmap, este recomandat să utilizați negru (0, 0, 0) pentru niciun punct de frezare și albastru pentru punctele de frezare. Timpul de așteptare corespunzător pixelilor este interpolat liniar pe baza valorii componentei albastre între zero și valoarea definită de utilizator. Ca urmare, fasciculul de ioni din poziția alb are un timp de așteptare mai lung decât cel din poziția negru. Figura 9 prezintă bitmap-ul unui poem chinezesc și modelul său frezat fabricat prin scriere directă FIB (FIBDW = FIB direct writing).

Procesul de frezare FIB este efectuat folosind o mișcare precisă pixel cu pixel, așa cum se arată în Fig. 10. Timpul în care fasciculul rămâne pe un anumit pixel țintă se numește timp de așteptare (dwell time). Distanța dintre centrele celor doi pixeli adiacenți se numește spațiere între pixeli. Distanța dintre pixeli ar trebui să fie suficient de mică pentru a permite o suprapunere adecvată între pixelii adiacenți, astfel încât să poată fi fabricat un profil uniform neted folosind frezarea FIB.

Pentru a freza un profil neted cu o rată constantă de îndepărtare a materialului, viteza de intensitate a ionilor sau fluxul de ioni în raport cu direcția de scanare trebuie să fie uniformă. Pentru a realiza acest lucru, distanța dintre pixeli trebuie să fie suficient de mică pentru a permite o suprapunere adecvată între pixelii adiacenți, astfel încât să poată fi fabricat un profil uniform neted (Tseng 2004). Distribuția ionică a unui FIB poate fi aproximată printr-o distribuție Gaussiană. Scanarea fluxului de ioni devine constantă și fermă atunci când distanța normalizată a pixelilor (ps/σ) este mai mică de 1,5, unde σ este abaterea standard a distribuției gaussiene. În ceea ce privește un fascicul cu distribuție Gaussian, df este egal cu 2,35σ, iar rata de intensitate a ionilor ar fi uniformă dacă ps/df este mai mică de 0,637 (Tseng 2004).

Optimizarea amorfizării și redepunerii

Majoritatea atomilor pulverizați (neutri și ioni) ejectați de pe suprafața solidă s-ar schimba de la o fază solidă la una gazoasă. Deoarece atomii ejectați nu sunt în starea lor de echilibru termodinamic, ei tind să se condenseze înapoi în faza solidă prin ciocnirea cu orice suprafață solidă din apropiere (Yao 2007). De obicei, atomii ejectați din partea inferioară a structurilor frezate au o anumită posibilitate de a se ciocni cu pereții laterali fabricați și de a fi redepuși, ceea ce ar degrada panta peretelui lateral al structurii (Ding et al. 2008), așa cum se arată în Fig. 11.

Amorfizarea și redepunerea ar degrada de obicei acuratețea dimensională și performanța nanostructurilor fabricate, care ar trebui reduse la minimum în timpul nanofabricației. Scăderea energiei FIB poate reduce în mod eficient grosimea stratului de amorfizare pentru structurile după nanofabricarea FIB, așa cum se arată în Fig. 12. Au fost explorate mai multe strategii pentru a minimiza și a depăși eficient degradarea redepunerii, inclusiv controlul cu atenție a timpului de așteptare FIB (Utke și colab. 2012) sau calea de scanare FIB (Fang et al. 2010), alegând gravarea asistată cu gaz FIB (Yao 2007), etc. Când timpul de așteptare FIB este setat prea mult, înseamnă că FIB se mișcă lent de la un pixel la unul din apropiere. Efectul de redepunere ar fi o problemă serioasă în timpul procesului FIBDW. Pentru un timp de așteptare FIB mic (scanări repetate rapide), unele fracții ale ionilor de Ga sunt folosite pentru a elimina prin pulverizare cea mai mare parte a materialului redepus format în ultima buclă. Gravarea FIB ar putea fi utilizată eficient pentru găurirea unei microgăuri cu un raport de aspect de 8-10. Microgaura cu un raport de aspect de 13,8 a fost produsă prin gravarea FIB pe nichel beriliu, așa cum se arată în Fig. 12b (Ali și colab. 2010).

Efectul materialului în nanofabricarea FIB

Diferite tipuri de materiale substrat ar putea fi adoptate în IBM pentru a îndeplini cerințele versatile orientate spre funcție. Materialul diamant monocristal este cea mai bună alegere pentru dezvoltarea sculelor de tăiere cu muchie ascuțită; pelicula subțire de Au sau Ag este adoptată pe scară largă în cercetarea nano-optică, care rezultă din proprietățile lor dielectrice bune. Multe investigații s-au concentrat asupra modului de fabricare a nanostructurilor pe diferite materiale substrat cu acuratețe și consistență ridicate.

Dacă materialul țintă este un material cristalin în care atomii sunt aranjați ordonat, ionii incidenți pot pătrunde mult mai adânc de-a lungul axei indexate joase a cristalinului. Adâncimea de penetrare poate fi de câteva ori mai mare decât cea pentru ținta amorfă. Un astfel de fenomen se numește efect de canalizare ionică. Canalizarea ionică poate apărea atunci când unghiul de incidență al fasciculului ionic, ψ, în raport cu un plan sau o axă a cristalului este mai mic decât un anumit unghi critic, ψc, care poate fi definit aproximativ în Ec. 2 (Kempshall et al. 2001):

unde Z2 este numărul atomic al materialului țintă, Z1 este numărul atomic al ionului, E este energia ionului incident, d este distanța dintre pozițiile atomilor de-a lungul direcției indexului și A este lungimea de screening Thomas-Fermi (Kempshall et al. 2001). Dacă ψ > ψc, ionul are o energie transversală prea mare (verticală față de direcția de injectare a ionului) pentru a fi prins în potențialul transversal (pentru a fi canalizat). Dimpotrivă, dacă ψ < ψc, ionul nu ar avea suficientă energie transversală pentru a depăși bariera de potențial și ar fi prins în groapa de potențial transversal. În această condiție, o particulă canalizată ar fi ghidată de-a lungul unui plan sau a unei axe a cristalului, așa cum se arată în Fig. 13.

Contrastul de canalizare ionică arată o schimbare clară a proprietăților de frezare în Cu (Kempshall și colab. 2001) și diamant (Picard și colab. 2003), așa cum se arată în Fig. 13. Când contrastul de canalizare ionică de-a lungul graniței granulelor nu este uniform, ar ieși la iveală un randament diferențial de pulverizare FIB, precum și panta peretelui șanțului de la redepunere. Principalul motiv pentru variația randamentului de pulverizare este că ionii canalizați suferă în mare parte pierderi de energie electronică, spre deosebire de pierderile de energie nucleară și sunt capabili să pătrundă mai adânc în rețeaua cristalină (Kempshall et al. 2001). Pentru a minimiza efectele de canalizare în timpul IBM, tehnicile de fabricație ar trebui controlate cu atenție, incluzînd gravarea asistată cu gaz (Yao 2007), ajustarea unghiului de incidență a fasciculului ionic (Kempshall et al. 2001) și controlul suprapunerii (Xu et al. 2012).

Modelarea FIB care formează modelul de nanofire pe substrat de peliculă subțire poate fi aplicată la nano-optice, termo-nanosenzori, interconexiuni etc. O serie de experimente de nanofire Au fabricate prin FIB pe substrat de peliculă subțire cu grosimea de 50 nm arată că instabilitățile structurale s-ar întâmpla pentru nanofirele cu o lățime mai mică de 50 nm, așa cum se arată în Fig. 14 (Naik et al. 2011). Acuratețea formei nanostructurii fabricată prin IBM pe substrat de peliculă subțire poate fi îmbunătățită în mod eficient prin adăugarea unui strat de bază de Cr sau Ni de câțiva nm grosime pentru a îmbunătăți aderența la suprafață, prin creșterea grosimii peliculei subțire de Au (Lin et al. 2011). A fost propusă o nouă metodă de nanofabricare FIB în avans cu acoperire cu peliculă subțire, prin care nanogaps-urile cu o lățime mai mică de 20 nm de peliculă Au pot fi fabricate uniform, așa cum se arată în Fig. 15 (Gao et al. 2012).

Cercetările arată că nanostructurile cu o lățime mult mai îngustă decât diametrul fasciculului FIB pot fi fabricate prin terminarea precisă a etapei de gravare (Nagase et al. 2005) și metoda de pre-acoperire a peliculei (Menard și Ramsey 2011). Electrodul nanogap fără mască a fost fabricat prin tehnica de scriere directă Ga FIB. Etapele de gravare sunt monitorizate in situ prin măsurarea unui curent trimis prin peliculele de substrat și terminat electronic cu un curent prestabilit (Nagase et al. 2005). Figura 16b prezintă nanogap-ul de 5 nm lat format prin FIB cu o dimensiune a fasciculului de 12 nm pe pelicule cu strat dublu constând din strat conducător superior Au cu grosimea de 10–30 nm și strat de aderență inferior Ti de 1–2 nm grosime.

Fabricarea FIB de nanostructuri 3D

IBM a fost aplicat pe scară largă pentru a fabrica structuri complexe de suprafață. Nanofabricarea structurilor complexe 3D la scală micro/nano a fost investigată cu FIB, incluzând caracteristici micro emisferice, parabolice și sinusoidale; structura helix la scală nanometrică; micro lentilă Fresnel (Xu et al. 2010); nano-rețea pentru bio-experimente (Reo et al. 2005), etc.

Figura 17 prezintă simularea TRIM și rezultatele experimentale ale dependenței randamentului pulverizarii de unghiul de incident ionic. Sunt luate în considerare două tipuri de ioni, Ga și As, în pulverizarea substraturilor Au și Si. Pentru toate cazurile considerate, creșterea unghiului de incidență al fasciculului ionic ar crește randamentul pulverizării până când atinge maximul aproape de 80^o; apoi scade foarte rapid la zero pe măsură ce unghiul incident se apropie de 90^o (Tseng 2004). Deoarece cantitatea de pulverizare este dominată de cascadele de coliziune cu suprafața, pe măsură ce unghiul de coliziune dintre ioni și atomii țintă crește față de incidența normală, posibilitatea ca atomii țintă să scape de la suprafață în timpul cascadelor de coliziune crește și în cele din urmă are ca rezultat un randament de pulverizare crescută. așa cum se arată din rezultatele simulării TRIM Fig. 17.

Deoarece unghiul de incident ionic s-ar modifica treptat în timpul fabricării structurilor curbe, dependența unghiulară a randamentului pulverizării dă o mare sarcină pentru obținerea unei acuratețe ridicate de formă a micro-/nanostructurilor 3D dezvoltate prin IBM, așa cum este ilustrat în Fig. 18. Pentru a fabrica profilul 3D cu o acuratețe ridicată, metodele practice pot varia doza de ioni per pixel cu un timp de permanență adecvat (Adams și Vasile 2006), tăierea bidimensională printr-o abordare slice (Fu și Bryan 2004), etc. Un standard de măsurare a chirp a fost dezvoltat de FIBDW pentru verificarea performanței funcționale generale a instrumentelor de măsurare a texturii suprafeței (Fujii et al. 2011), așa cum se arată în Fig. 18. A fost folosit pentru a evalua performanța microscopului cu scanare laser cu răspunsul la unghiuri de pantă variind până la 45^o.

Pentru a fabrica suprafețe complexe, au fost efectuate investigații pentru a dezvolta scule de microtăiere de înaltă acuratețe și înaltă performanță prin fabricarea FIB (Picard și colab. 2003; Ding și colab. 2009; Xu et al. 2010). Pe baza sculelor de microtăiere dezvoltate pot fi fabricate diferite suprafețe și structuri complexe funcțional. FIB ar produce margini ascuțite pe partea fațetelor cea mai îndepărtată de sursa de ioni, în timp ce marginea fațetei cea mai apropiată de sursa de ioni este rotunjită din cauza distribuției de intensitate Gaussiană a FIB. Micro-uneltele cu muchii de tăiere nanometrice și forme complicate ar putea fi fabricate prin controlul orientării fațetei uneltei în raport cu FIB și metoda de modelare bitmap FIB. Raza muchiei sculei de 15–30 nm este realizată pentru nano îndepărtarea materialelor de lucru. Elementele optice micro-difractive de înaltă performanță (DOE) au fost fabricate prin prelucrare de ultraprecizie folosind scule de microtăiere semisferice modelate prin FIB, așa cum se arată în Fig. 19 (Xu et al. 2010). Experimentele arată că metoda propusă poate fi o modalitate foarte eficientă de fabricare a micro-DOE cu un finisaj de suprafață la scară nanometrică.

Micro-/nanostructurile complexe tridimensionale (3D) au fost fabricate cu succes prin FIBID. Pot fi fabricate structuri 3D arbitrare, cum ar fi pahare de vin, burdufuri și bobine. Micro-paharul de vin cu un diametru exterior de 2,75 μm și o înălțime de 12 μm a fost fabricat prin FIBID pe păr uman. Structura nano-rețea a fost fabricată cu FIB-CVD folosind C14H10 ca sursă de gaz precursor, așa cum se arată în Fig. 20. Microsfere de polistiren cu un diametru de 2 μm au fost capturate folosind nano-rețea sub observația microscopului optic. Nano-rețea și alte nano-unelte fabricate de FIB-CVD ar fi instrumente potențial puternice pentru operațiuni și analize în bio-experimente (Reo et al. 2005).

Deși nanofabricarea 3D a fost stabilită prin FIBID folosind un precursor de hidrocarburi, metoda FIBID are încă multe limitări. Prin urmare, a fost propusă o nouă metodă de producere a nanostructurilor 3D bazată pe tehnica de introducere a stresului FIB (FIB-SIT) (Xia et al. 2006). În metoda de introducere a stresului FIB, se formează un strat deteriorat în zona frezată în apropierea suprafeței materialului substratului cu peliculă subțire, unde stresul de tracțiune și deformarea din stratul deteriorat sunt folosite pentru a fabrica nanostructuri 3D. Figura 21 prezintă procesul de introducere a stresului FIB și nanohelixul 3D dezvoltat de tehnologia FIB-SIT. Cu avantajele flexibilității și controlabilității ridicate, FIB-SIT este o tehnică promițătoare pentru a fabrica diferite nanostructuri 3D și a implementa asamblarea 3D, care ar putea găsi aplicații largi în sistemele de detectare biomedicală și sistemele nanoelectromecanice.

Tehnologii de lustruire și finisare a suprafețelor cu nanoacuratețe

Lanțul clasic de proces pentru dezvoltarea componentei optice de precizie constă din trei etape. În primul rând, procesul de generare include tăierea, șlefuirea sau frezarea de precizie, care se numește formarea (modelarea) suprafeței optice. În al doilea rând, procesul de lustruire este utilizat pentru a elimina rugozitatea suprafeței, deteriorarea subsuprafeței și eroarea suprafeței. În timp ce procesul de lustruire chimico-mecanică (CMP) adoptat pe scară largă este dificil sau necesită mult timp pentru a atinge acuratețea specificată a suprafeței, rezultată din uzura sculei și încărcarea cu forță a piesei de prelucrat etc. În cele din urmă, procesul de finisare a suprafeței, care este în mod necesar un pas suplimentar pentru a corecta deterministic conturul suprafeței la acuratețea dorită. În acest proces, metodele tipice de prelucrare includ figurarea cu fascicul de ioni (IBF), finisarea magnetoreologică (MRF) și așa mai departe. În această carte, tehnologiile avansate, de lustruire și de finisare a suprafețelor, ale IBF și fabricarea cu plasmă la presiune atmosferică ar fi introduse în mod cuprinzător în capitolele ▶Tehnologia de imagine a fasciculului de ioni și, respectiv, ▶Nanofabricarea pe bază de plasmă sub presiune atmosferică.

Fluxul de bază al procesului de figurare cu fascicul de ioni (IBF) este prezentat în Fig. 22. Înainte de orice figurare, trebuie determinată funcția de îndepărtare a materialului pentru proces care este baza procesului de figurare deterministă. Funcția de îndepărtare a materialului (sau numită funcție fascicul) oferă o distribuție a vitezei de îndepărtare a adâncimii ca funcție de distanța radială de la centrul fasciculului ionic.

În procesul IBF, materialul îndepărtat și distribuția acestuia sunt reprezentate de convoluția funcției de îndepărtare și a timpului de permanență

R(x, y) = B(x, y) * T(x, y) (3)

unde R(x, y) este materialul care trebuie îndepărtat, B(x, y) este funcția de îndepărtare a materialului, iar T(x, y) este timpul de permanență. Când materialul care trebuie îndepărtat și funcția de îndepărtare a materialului a fasciculului de ioni sunt cunoscute, timpul de permanență poate fi obținut prin deconvoluția Ec. 3. Modul de obținere a acestei funcții și detaliile tehnicilor IBF vor fi discutate în capitolul ▶Tehnologia de figurare a fasciculului ionic.

Tehnologiile de fabricare cu plasmă la presiune atmosferică sunt foarte promițătoare pentru a fabrica componente optice și substraturi pentru dispozitive electronice cu acuratețe ridicată a formei și eficiență ridicată, incluzând prelucrarea prin vaporizare chimică cu plasmă cu control numeric (NC-PCVM), oxidare sacrificială controlată numeric (NC-SO) și lustruire asistată cu plasmă.

Tehnologia NC-PCVM poate fi aplicată în corecția grosimii a SOI și a plachetelor cu cristal de cuarț prin gravarea cu plasmă la presiune atmosferică controlată numeric (Mori et al. 2000), care poate obține uniformitatea grosimii cu acuratețe la nivel de nanometri fără a introduce defecte electronice sub suprafață. Corecția grosimii cu prelucrare prin vaporizare chimică cu plasmă controlată numeric poate fi efectuată în conformitate cu următoarele proceduri: (1) Se măsoară distribuția grosimii probei și se calculează distribuția erorii de grosime scăzând grosimea țintă din grosimea măsurată. (2) Deoarece volumul de îndepărtare sau oxidare este proporțional cu timpul de permanență al plasmei, distribuția vitezei de scanare a masei XY este determinată de deconvoluția distribuției erorii de grosime și de funcția de îndepărtare care este un punct de îndepărtare obținut în unitate de timp, așa cum se discută în capitolul ▶Nanofabricarea pe bază de plasmă sub presiune atmosferică. (3) Corecția grosimii controlată numeric este efectuată prin scanare raster, așa cum se arată în Fig. 23, pentru a obține în mod determinist un substrat de grosime uniformă (Yamamura et al. 2008). În acest proces de corecție NC-PCVM, reproductibilitatea funcției de îndepărtare este superioară celei din procesul de prelucrare mecanică, deoarece nu există uzură a electrodului și gazele de proces sunt furnizate uniform în regiunea plasmei. În plus, funcția de îndepărtare din NC-PCVM este insensibilă la perturbațiile externe, cum ar fi vibrațiile și deformarea termică a mașinii și a probei datorită mecanismului de îndepărtare fără contact.

O nouă tehnică de lustruire uscată numită lustruire asistată cu plasmă (plasma-assisted polishing = PAP) este folosită pentru a combina procesul cu plasmă la presiune atmosferică cu lustruirea abrazivă fixă ​​(Yamamura et al. 2011). În această tehnică, iradierea plasmei reactive modifică suprafața unui material dur pentru a forma un strat moale, iar lustruirea ulterioară folosind un abraziv moale îndepărtează de preferință stratul moale, așa cum se arată în Fig. 23. Spre deosebire de lustruirea mecanică chimică (chemical mechanical polishing = CMP), PAP este un proces uscat fără utilizarea de șlam și/sau substanțe chimice. Prin urmare, tehnica PAP este promițătoare ca proces de finisare ecologic pentru materiale dificil de prelucrat.

Metodologiile și rezultatele experimentale pentru materiale funcționale prin tehnologiile de fabricație cu plasmă la presiune atmosferică sunt descrise cuprinzător în capitolul ▶Nanofabricarea pe bază de plasmă sub presiune atmosferică.