Aplicații de pulverizare FIB

Deoarece metoda de pulverizare FIB are avantaje de rezoluție înaltă, flexibilitate ridicată și proces fără mască, a fost utilizată pe scară largă în aplicații versatile, cum ar fi nano-optica (Gramotnev și Bozhevolnyi 2010), nano-producție (Allen et al. 2009), bio-detecție (Lal et al. 2007), microuneltă cu margine de tăiere la scară nanometrică (Xu et al. 2010), etc.

Elemente micro optice

Elementele micro optice (MOE) sunt componente cheie pentru construirea de sisteme optoelectronice compacte. Elementele optice microdifractive (MDOE) au prezentat multe avantaje unice, cum ar fi volumul și greutatea reduse, calitatea optică bună și aperturile mari. Odată cu tendința de miniaturizare, există o cerere din ce în ce mai mare pentru aplicații de MDOE în lentilele de condensare solară, senzorii infraroșii, modelarea fasciculului laser și sistemele de imagistică optică de înaltă performanță.

Există mai multe abordări în fabricarea elementelor micro optice, cum ar fi metoda de fabricare a opticii binare (Herzig 1997), metoda de scriere directă folosind un laser sau un fascicul de ioni focalizați (Fu et al. 2010), tehnologia de strunjire cu diamant în un singur punct (SPDT) (Yi și Li 2005; Fang et al. 2008), etc. Metoda litografiei necesită procese în mai multe etape cu costuri ridicate, care necesită un proces continuu de fotolitografie și gravare pentru a produce structuri în etape multifazice.

Metoda de scriere directă cu fascicul de ioni focalizat este eficientă în fabricarea MOE. Abordarea bidimensională felie cu felie poate fi folosită pentru a facilita fabricarea elementelor micro optice tridimensionale, incluzând lentile de microdifracție și lentile de refracție-difracție micro hibride (Fu și Bryan 2004a), așa cum se arată în Fig. 15. Structurile curbe la scara micron au fost sculptate prin variarea dozei de ioni FIB pe pixel și luând în considerare randamentul pulverizării în funcție de unghi, cu condiția să fie selectată o gamă de timpi de persistență adecvați, cum ar fi caracteristicile sinusoidale și aproape parabolice în Si (Adams și Vasile 2006). FIBDW este considerată o metodă promițătoare pentru integrarea dispozitivelor micro-optice și miniaturizarea sistemului optic. Însă, metoda de modelare FIB bitmap necesită timp pentru a fabrica cu acuratețe forme curbe în microstructuri până acum.

SPDT poate controla cu precizie procesul de fabricație cu o mare acuratețe Machi și este foarte potrivit pentru procesarea elementelor optice micro-difractive complexe. Însă, odată cu miniaturizarea elementelor optice, dezvoltarea micro-uneltelor cu formă netradițională și muchii ascuțite utilizate în SPDT devine un subiect foarte important. Datorită limitărilor de dimensiune și configurație ale uneltelor de tăiere tradiționale din SPDT, efectul de umbrire ar degrada direct proprietățile optice ale dispozitivului și ar reduce eficiența de difracție a acestuia. În timp ce această problemă poate fi depășită folosind o unealtă micro emisferică (Xu et al. 2010; Zhang et al. 2009), este necesară o abordare pentru a forma marginea de tăiere ascuțită în fabricarea MOE.

Elementele optice micro-difractive ar putea fi fabricate cu microunelte cu geometrie netradițională fabricate cu FIB. Micro-uneltele cu muchii de tăiere nanometrice și forme complicate sunt fabricate prin controlul orientării fațetei sculei în raport cu FIB (Ding et al. 2008; Xu et al. 2010; Zhang et al. 2009). Experimentele de fabricare a microuneltelor au fost efectuate sub un sistem dual-beam FIB/SEM echipat cu echipament rotativ de înaltă rezoluție. Etajul de translație poate fi înclinat cu 15^o ~ 60^o. Rotația sculei este controlată de o axă de rotație care se poate roti nelimitat. Diferite fețe de scule pot fi frezate prin ajustarea cu acuratețe a pozițiilor lor relative la FIB prin controlul rotației și al înclinării eșantionului (Xu et al. 2010; Zhang et al. 2009).

În timpul procesului de fabricare a microscultei prin frezarea FIB, secvența de frezare FIB și poziția sculei în raport cu fasciculul de ioni sunt factori critici în determinarea caracteristicilor microuneltei, cum ar fi muchia de tăiere, suprafața de tăiere și unghiul de relief. FIB ar produce muchii 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 deoarece partea din intensitatea fasciculului gaussian s-ar extinde în afara limitei modelului definit, așa cum se arată în Fig. 16. Prin urmare, pentru a produce muchii tăietoare ascuțite, poziția sculei în raport cu fasciculul de ioni și secvențele de fabricație sunt cruciale. Pe baza analizei de generare a muchiilor ascuțite de mai sus, sunt folosiți trei pași pentru a fabrica microunelte cu muchii ascuțite prin metoda FIB. Figura 17 ilustrează procedura de fabricare a unei microunelte în formă de arc. O formă de secțiune transversală dorită poate fi fabricată prin metoda de modelare FIB bitmap, așa cum se arată în Fig. 18. Avantajele majore ale metodei de fabricare a microuneltelor bazate pe FIB sunt controlul mai bun al geometriei microuneltelor cu muchie ascuțită, dar fără introducerea oricărei solicitări de prelucrare în comparație cu metoda de șlefuire de precizie.

Microunealta emisferică a fost folosită pentru a fabrica o componentă optică micro-difractivă prin prelucrarea de ultraprecizie pe o piesă de prelucrat din aluminiu 6061. Elementul optic difractiv proiectat are un diametru de 15 mm, o rază de curbură de 30 mm, iar intervalul dintre inelele adiacente de 30 μm. Lentila optică Fresnel prelucrată este măsurată cu un interferometru Veeco NT9300, așa cum se arată în Fig. 19.

Nanofabricarea

Deoarece metoda de modelare a bitmap FIBDW prezintă rezoluție și flexibilitate ridicate, pot fi fabricate diferite modele nano folosind această metodă, cum ar fi modele de nano-rețele cu lățime de linie de 32 nm, așa cum se arată în Fig. 20a. Studiile anterioare 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; 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 alimentat prin peliculele de substrat și terminat electronic cu un curent prestabilit (Nagase et al. 2005). Figura 20b prezintă un nanogap cu o lățime de 5 nm format de FIB cu o dimensiune a fasciculului de 12 nm pe pelicule cu strat dublu constând dintr-un strat conducător de Au grosime de 10–30 nm și un strat de aderență inferior Ti gros de 1–2 nm.

Nano-optica studiază comportamentul luminii la scară nanometrică. O mare varietate de proprietăți optice noi ar apărea în nano-optică, cum ar fi transmisia puternic îmbunătățită a luminii, dincolo de limitarea difracției etc. Există o extindere rapidă a cercetării în nanofotonică bazată pe plasmoni-polaritoni de suprafață (surface plasmon–polaritons = SPP) în ultimii ani (Gramotnev și Bozhevolnyi 2010). 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 pepelicula metalică (Ag, Au), oferind un vector de undă care decalează valoarea nepotrivirii dintre SP și lumină. Când lumina iradiază suprafața rugoasă, SP-urile pot fi excitate la un nivel mai înalt și apoi pot fi cuplate cu lumină.

Odată cu dezvoltarea rapidă a nanoopticii, elementele nanooptice pe bază de plasmoni de suprafață, care pot fi utilizate în nanolitografia de interferență cu plasmonii de suprafață, detectarea și spectroscopia îmbunătățite cu plasmoni, suprafocalizarea la scară nanometrică și așa mai departe au atras o atenție extinsă. Datorită rezoluției sale ridicate și flexibilității ridicate, metoda de nanofabricare FIB a fost adoptată pe scară largă în fabricarea elementelor nano-optice (Liu et al. 2007a; Fang et al. 2005). Investigațiile despre lentilele plasmonice tipice dezvoltate de FIB vor fi prezentate mai jos.

Rezoluția sistemului optic convențional este guvernată de limita de difracție, care este de obicei aproximativ jumătate din lungimea de undă. În ultimii ani, focalizarea lentilelor plasmonice cu ajutorul polaritonilor plasmoni de suprafață (SPP) la mediul cu indice negativ (negative index medium = NIM) atrage mult interes, care poate focaliza undele imperceptibile în regiunea câmpului apropiat cu rezoluție sub-limită de difracție (Fu și Zhou 2010; Liu și colab. 2007a).

Superlentila a fost dezvoltată pentru prima dată pentru studiul de suprafocalizare. S-a dovedit că superlentila de argint poate imagina nanostructuri arbitrare cu rezoluție sub-limita de-difracție (Fang et al. 2005). Ca componentă principală, pelicula cromată a fost modelată pe cuarț folosind tehnica fasciculului ionic focalizat. Primul tip de lentilă plasmonică menționat mai sus poate depăși limitarea de difracție, dar are și dezavantaje, cum ar fi lipsa distanței de lucru, nicio funcție de amplificare (mărirea este 1) și doar imagistica unidimensională. O hiperlentilă poate fi utilizată pentru a mări obiectul în direcție radială pe o structură multistrat semicilindrică, unde obiectele limitate de sub-difracție ar putea fi fabricate pe un strat de crom gros de 50 nm situat la suprafața interioară (Liu et al. 2007b). Fantele plasmonice cu diferite caneluri în trepte au fost proiectate și fabricate pentru a obține o focalizare plasmonică eficientă.

SPP-urile se propagă de-a lungul suprafeței peliculei metalice și sunt difractate în câmpul îndepărtat de canelurile periodice, care sunt de obicei proiectate cu o lățime mai mică de jumătate din lungimea de undă a luminii incidente. Construirea interferenței fasciculelor difractate are ca rezultat efectul de focalizare într-un anumit punct de pe axa fasciculului (Fu et al. 2010). Ajustând parametrii canelurilor periodice (cum ar fi lățimea, adâncimea, perioada și numărul), fasciculele difractate pot fi controlate complet pentru a forma o lentilă ultracompactă personalizată cu rezoluție sub-lungimi de undă (Shi et al. 2007; Liu et al. 2011).

Pentru a realiza funcția de suprafocalizare, au fost propuse lentile plasmonice ale structurilor metalice sub-lungimi de undă cu fante ciripit (perioade variabile) și nanoperforații (Fu et al. 2010; Zhang et al. 2011). Poate fi utilizată o nouă lentilă plasmonică cu o structură de tip micro-zonă (PMZP), în care o peliculă subțire de Ag este intercalată între aer și sticlă, așa cum se arată în Fig. 21 (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 găuri circulare și eliptice (Fu și Zhou 2010; Zhang et al. 2011). Ca exemplu, o lentilă plasmonică pe bază de găuri eliptice a fost studiată cu opt inele pe o peliculă de Ag de 200 nm grosime acoperită pe substrat de cuarț, așa cum se arată în Fig. 22. Perforațiile (pinholes) sunt complet pătrunse prin pelicula de Ag în timpul FIBDW. Numărul de perforații de la inelele interioare spre cele exterioare este de 8, 20, 36, 55, 70, 96, 107 și, respectiv, 140. Lentila plasmonică bazată pe găuri eliptice poate genera un efect laser ultra-îmbunătățit și poate realiza un DOF extraordinar de alungit, de 13 μm, sub iluminarea undei plane în polarizare y liniară (Zhang et al. 2011).

Lentila plasmonică cu DOF extraordinar de alungită are caracteristici unice în aplicații practice, cum ar fi imagistica și litografia la scară nanometrică (Liu et al. 2011; 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. În sistemele de fotolitografie bazate pe structura plasmonică de suprafață, rezultatele experimentale raportate au fost obținute în câmp apropiat, cu un spațiu de aproximativ zece nanometri între structura SP și suprafața substratului (Fang et al. 2005), iar spațiul este dificil de controlat cu precizie în funcționarea practică. Din fericire, atunci când se utilizează lentila plasmonică, distanța de lucru dintre structură și suprafața substratului poate fi de 10 μm și chiar mai mare, ceea ce ar face procesul practic de control și operare mult mai ușor.