Aplicații în sectorul semiconductorilor și studiile materialelor

Tehnologia de scriere directă FIB a fost aplicată mai întâi în sectorul semiconductorilor și studiile materialelor, inclusiv repararea măștilor foto (Yao 2007), analiza defecțiunilor cipului IC (Utke et al. 2012), pregătirea probelor TEM (Fang et al. 2011; Joachim et al. 2007) , etc. Pe baza capacităților de frezare FIB și de depunere indusă de FIB Matsui (2006), tehnologiile FIB au devenit una dintre cele mai importante metode de analiză aplicate în sectorul semiconductorilor și studiile materialelor, așa cum se arată în Fig. 24 și 25.

Fabricare de dispozitive funcționale la scară nanometrică

Dispozitiv de nano-optică funcțional

Nano-optica studiază comportamentul luminii la scala nanometrică. O mare varietate de proprietăți optice noi ar apărea în nano-optică, cum ar fi transmisia puternic îmbunătățită a luminii, dincolo de limita de difracție etc. Există o dezvoltare rapidă în nano-optica bazată pe polaritonii plasmoni de suprafață (surface plasmon polaritons = SPP) în ultimii ani. Plasmonul de suprafață (SP) este o undă electromagnetică de suprafață existentă în interfața metal și dielectric, care are un vector de undă mare. Polaritonii plasmonilor de suprafață pot fi excitați de nanostructurile de pe pelicula metalică, cum ar fi Ag și Au, oferind vector de undă care compensează valoarea nepotrivirii dintre SP și lumină. Când lumina iradiază suprafața rugoasă, SP-urile pot fi excitate la un nivel mai înalt și atunci pot fi cuplate cu lumina.

Rezoluția sistemului optic convențional este guvernată de limita de difracție a luminii. Au fost realizate pe scară largă efecte mari ale modului de depășire a limitei de difracție. Recent, investigațiile nanooptice asupra plasmonilor de suprafață au fost extinse pentru a ocoli limita de difracție, deoarece au lungimi de undă mai scurte (Pan et al. 2011). Datorită rezoluției sale ridicate și flexibilității sale ridicate, metoda de fabricare FIB a fost adoptată pe scară largă în fabricarea elementelor nano-optice.

Luo a propus mai întâi o nouă tehnică de nanolitografie (Luo 2004): linii sub-100 nm au fost modelate fotolitografic folosind interferența polaritonului plasmonului de suprafață în câmpul optic apropiat excitat de o lungime de undă de 436 nm. Modelul măștii metalice pe partea iluminată colectează lumina prin cuplarea SPP, iar SPP pe partea de ieșire a măștii metalice redistribuie lumina în distribuție spațială la scară nanometrică, care poate fi utilizată pentru a fabrica nanostructuri, așa cum se arată în Fig. 26. Grupul lui Zhang a propus o o nouă schemă în mai multe etape, care este capabilă să comprime eficient energia optică la scări sub-lungimi de undă profunde prin cuplarea progresivă a plasmonilor de suprafață care se propagă și plasmonii de suprafață localizați (Liang et al. 2011). Combinând această schemă cu tehnologia suprafețelor legate de aer, o litografie plasmonică cu o rezoluție de 22 nm la jumătate de pas cu o viteză de scanare de până la 10 m/s este demonstrată, așa cum se arată în Fig. 27. Schema cu costuri reduse are potențialul unui debit mai mare decât fotolitografia actuală și ar deschide potențial o nouă abordare pentru fabricarea de semiconductori de generație următoare.

Ca elemente de bază în investigațiile nano-optice menționate mai sus, nanostructurile de fotomască și plasmonice mai puțin pe pelicula metalică de Cr sau Ag ar trebui fabricate cu acurateț ridicată de fabricație și uniformitate ridicată. În comparație cu metodele obișnuite de fabricare a măștilor foto folosind fasciculul de electroni sau procesul de litografie cu laser, metoda FIBDW are avantajele combinării scrierii directe cu rezoluția înaltă în generarea de nano-fotomăști.

În sistemele de fotolitografie bazate pe structura plasmonică de suprafață, rezultatele experimentale raportate au fost obținute în câmp apropiat, cu un spațiu de aproximativ zeci de nanometri între lentila plasmonică și suprafața substratului (Fang et al. 2005), iar spațiul este foarte dificil de controlat cu precizie în aplicații practice. Prin urmare, dacă distanța efectivă de lucru dintre lentila plasmonică și suprafața substratului ar putea fi extinsă la câțiva microni și chiar mai mult, acest lucru ar face procesul practic de control și operare mult mai ușor. Lentila plasmonică cu adâncime de focalizare extraordinar de alungită (depth of focus = DOF) are caracteristici unice în aplicații practice, cum ar fi imagistica la scară nanometrică și litografia (Fu et al. 2010). Imaginea 3D a celulelor sau moleculară poate fi obținută folosind lentile plasmonice în sisteme de bioimagini, cum ar fi microscopul optic confocal.

Pentru a realiza funcția de suprafocalizare, au fost propuse lentile plasmonice din structuri metalice sublungimi de undă cu fante chirped = ciripit (perioade variabile) și nanogăuri. Grupul Fu a propus o nouă lentilă plasmonică cu o structură de tip microzonă (PMZP) în care o peliculă subțire de Ag este intercalată între aer și sticlă, așa cum se arată în Fig. 28 (Liu et al. 2011). Dar, structurile pe bază de inele au lobi laterali mai înalți. Pentru a suprima lobii laterali și pentru a îmbunătăți și mai mult calitatea focalizării, a fost creată o lentilă plasmonică bazată pe gaură circulară și eliptică (Fu și Zhou 2010).

Împrăștiere Raman îmbunătățită la suprafață (Surface-Enhanced Raman Scattering SERS)

Imprăștierea Raman poate fi utilizată pentru a identifica moleculele țintă în sistemele chimice și biologice, deoarece fiecare moleculă are spectrul său Raman unic. Din păcate, secțiunea transversală de împrăștiere Raman și intensitatea semnalului sunt foarte scăzute. Prin urmare, aplicațiile în bio-detecție au fost limitate până în anii 1970, când cercetătorii au indicat că magnitudinea semnalului de împrăștiere Raman poate fi în mare măsură îmbunătățită de suprafața rugoasă a metalului nobil (Fleischmann et al. 1974). Acest fenomen a fost denumit împrăștiere Raman îmbunătățită la suprafață (SERS). SERS a atras o atenție considerabilă, deoarece poate identifica cu acuratețe volume extrem de mici de probă și chiar molecule individuale. Recent, scrierea directă cu fascicul de ioni focalizat (FIBDW) a găsit aplicații în dezvoltarea substratului SERS datorită acurateței și uniformității sale ridicate, care sunt benefice cercetării și aplicațiilor SERS.

Este larg acceptat faptul că cea mai mare parte a câștigului SERS provine din moleculele situate în „punctele fierbinți” nanoscopice, formate de obicei la joncțiunile dintre particulele nanodimensionate, proeminențe ascuțite sau găuri, deoarece acestea sunt regiunile în care intensitatea câmpului electromagnetic poate fi îmbunătățită foarte mult. SERS are o relație strânsă cu configurația tipică a nanostructurilor dezvoltate, cum ar fi dimensiunea lor, forma și distanța Wang et al. (2011). Îmbunătățirea electromagnetică extraordinară (electromagnetic enhancement = EE) este asociată cu excitarea rezonanței plasmatice de suprafață localizată (localized surface plasma resonance = LSPR) care este limitată la nanostructurile metalice. Investigațiile arată că ascuțirea vârfului nanostructurii și scăderea distanței dintre nanostructuri în timpul nanofabricației FIB ar avea o mare contribuție la îmbunătățirea electrică (Min et al. 2008; Lin et al. 2011). Min a fabricat o structură SERS cu două orificii care oferă două vârfuri ascuțite cu o rază de curbură de 20 nm la vârf (Min et al. 2008). Lin a propus patru configurații de substrat SERS. Datorită disponibilității mai multor margini și a curburii mici, micro-/nanostructurile de tip hexagonal au indus un mecanism electromagnetic (electromagnetic mechanism = EM) mai mare și o performanță SERS mai bună. Se constată că performanța SERS ar crește exponențial pe măsură ce distanța dintre nanostructuri scade de la 40 nm la 22 nm. Efectul „punctului fierbinte” a fost mult redus deoarece distanța este mai mare de 40 nm.

Substraturile SERS pot fi dezvoltate prin modelarea nanostructurilor pe substraturi Si folosind tehnologia FIBDW, urmând o evaporare termică precisă a peliculei de aur pe substrat (Gao et al. 2012). Această metodă arată un potențial mare pentru dezvoltarea substraturilor SERS de performanță mai mare, care poate reduce și mai mult distanța dintre punctele fierbinți și poate obține nanogap mai mic, mai mic de 20 nm, așa cum se arată în Fig. 29. Efectul lui SERS asupra substratului a fost investigat sistematic prin optimizarea parametrilor de prelucrare și a grosimii peliculei de aur. Variația grosimii peliculei de aur arată efecte mari asupra performanței SERS; pentru nanostructurile eliptice pe substraturi de Si, acoperirea cu o peliculă de aur cu o grosime de aproximativ 15 nm a prezentat o performanță de optimizare. S-a constatat o degradare dramatică a performanței pe măsură ce grosimea peliculei de aur a crescut și mai mult, care, cel mai probabil, a rezultat din modificările și degradarea „punctelor fierbinți” ale nanostructurilor de vârf și distanță eliptice (Gao et al. 2012).

Pe lângă faptul că LSPR are o mare contribuție la performanța SERS, unele studii au descoperit că polaritonii plasmoni de suprafață (surface plasmon polaritons = SPP) ar putea contribui, de asemenea, la semnalul de îmbunătățire Raman (Bahns et al. 2007). Laboratorul Național Argonne a dezvoltat o nanostructură cu arce concentrice prin nanofabricare FIB și a obținut o îmbunătățire electrică ridicată la centru datorită concentrării plasmoniilor de suprafață care se propagă pe suprafețe metalice plate, așa cum se arată în Fig. 30. Se constată că creșterea numărului de arce ar îmbunătăți performanța SERS în consecință. Rezultatele arată că focalizarea plasmonilor de suprafață care se propagă pe suprafețe metalice plate poate fi o alternativă pentru obținerea unei împrăștieri Raman îmbunătățite.

Nano-găuri și nanocanale pentru Bio-X

Nanoporii sau nanocanalele fabricate prin IBM au fost utilizate pentru detectarea electrică rapidă și caracterizarea moleculelor de un singur biopolimer (Chih și colab. 2006; Menard și Ramsey 2011; Norman și Theodore 2012). O tehnică de sculptare sau scanare cu fascicul de ioni focalizat a fost folosită pentru a proiecta precis nanoporii (Chih et al. 2006). Pe baza acestei tehnologii, se poate regla pori de diferite dimensiuni și forme neregulate la nanopori simetrici și micșorati, pur și simplu prin scanarea suprafeței membranei cu FIB.

Pe baza nanoporilor sau porilor submicrometrici dezvoltați, au fost propuse metode de detectare a pulsului rezistiv pentru detectarea, caracterizarea și cuantificarea anticorpilor care se leagă de particulele de virus. Virionii unici care trec prin porul conic provoacă o reducere tranzitorie a curentului (impuls rezistiv) în urma curentului, în timp ce legarea anticorpilor de virus ar crește volumul particulei, ducând la o creștere sensibilă a amplitudinii curentului de vârf, după cum se arată în fig. 31.

Dispozitivele nanocanal fabricate prin IBNM pot fi aplicate în studiile mono-moleculă ale transportului ADN-ului, în care moleculele de ADN dublu-catenar colorate fluorescent sunt conduse electroforetic prin nanocanale frezate cu FIB de diferite dimensiuni (Menard și Ramsey 2011). Figura 32c prezintă cadre individuale dintr-o serie de timp înregistrată a transportului unei molecule de λ-phage ADN printr-un nanocanal lung de 50 μm cu o arie de secțiune transversală de 50 nm x 50 nm. Moleculele de ADN sunt transportate fără probleme prin nanocanale mici de 15 nm x 15 nm, cu puține dovezi de aderență.

Fabricarea dispozitivelor funcționale de nanoacuratețe

Natura fragilă a siliciului monocristal la temperatura ambiantă îl împiedică să producă caracteristici complexe și suprafețe de calitate optică. Tăierea de ultraprecizie cu unelte diamantate a fost sugerată ca metodă de fabricație de înlocuire, care poate face posibilă producția de componente din siliciu cu finisaj nanometric al suprafeței și acuratețe a geometriei la nivel submicron prin tăiere ductilă sub anumiți parametri. Dar, durata scurtă de viață a sculei și fracturile de suprafață sunt încă problemele serioase de rezolvat în realizarea suprafețelor nanometrice ale componentelor din siliciu (Fang și Venkatesh 1998; Fang și Chen 2000; Fang și colab. 2005, 2007).

O nouă metodă de modificare a suprafeței de implantare ionică (NiIM) pentru tăierea siliciului monocristal a fost propusă în 2011 (Fang et al. 2011). S-a propus modificarea proprietăților mecanice ale stratului de suprafață al substratului folosind metoda de implantare ionică, care oferă posibilitatea de a reduce fracturile de suprafață, de a prelungi durata de viață a sculei de tăiere și de a crește eficiența prelucrării în timpul procesului de tăiere. Implantarea substratului de Si folosind ion F cu energie de 10,0 MeV și doză de ioni de 1 x 10¹⁴ ioni/cm² poate produce un strat de modificare la adâncimea de câțiva microni, așa cum se arată în Fig. 33. Studiile arată că siliciul modificat efectuează un punct de tranziție ductil-casabilă mai profundă de 924 nm decât cei 236 nm ai siliciului normal prin experimente de tăiere conică. Suprafața nanometrică cu o rugozitate a suprafeței de aproximativ 0,861 nm în Ra poate fi obținută prin tăierea cu ultraprecizie a substratului de Si modificat. Se realizează rugozitatea suprafeței menținută aproape constantă la un nivel scăzut în timpul tăierii a 6,5 km. Marcajele de avans ale tăierii pe suprafața prelucrată sunt afișate în mod clar și nu există fracturi și microfisuri aparente, care demonstrează un mod de îndepărtare a materialului ductil. Rezultatele experimentale demonstrează că metoda este viabilă pentru a fabrica geometrie complexă a suprafeței de siliciu cu nanoacuratețe și prelungirea durata de viață a sculei, așa cum se arată în Fig. 33 și 34.

Carbura de siliciu (SiC) este un material promițător de ultimă generație pentru dispozitive de putere semiconductoare pentru aplicații de mare putere și temperatură ridicată, care rezultă din proprietățile sale excelente, incluzând conductivitatea termică excelentă, spațiul mare al benzii de energie, viteza mare de deplasare a electronilor saturați și stabilitatea chimică bună. Pentru a aplica SiC ca material pentru dispozitive electronice de înaltă performanță, este esențială o suprafață netedă din punct de vedere atomic și fără deteriorare. Dar, din cauza durității și a inerției sale chimice, SiC este unul dintre cele mai dificil de prelucrat materiale, unde abrazivi diamantați sunt în general folosiți în procesele de tăiere și lepuire ale SiC. Aceste procese de îndepărtare mecanică introduc în mod inevitabil microzgârieturi și deteriorarea subsuprafeței piesei de prelucrat, care deteriorează integritatea suprafeței.

O suprafață 4H-SiC (0001) a fost prelucrată prin lustruire asistată cu plasmă (PAP) folosind un abraziv CeO2 și s-a obținut o structură de suprafață netedă din punct de vedere atomic, fără deformare a rețelei (Yamamura et al. 2011). Iradierea plasmei cu vapori de apă a redus duritatea suprafeței de SiC cu aproximativ un ordin de mărime, ceea ce a permis obținerea unei suprafețe netede atomic cu o structură de trepte și terasă fără a introduce zgârieturi sau daune cristalografice subsuprafață prin utilizarea unui abraziv ceria (oxid de ceriu) moale, așa cum se arată în fig. 35.