Cortando padrões intrincados tão pequenos quanto vários bilionésimos de metro de profundidade e largura, o feixe de íons focado (FIB) é uma ferramenta essencial para desconstruir e criar imagens de pequenas peças industriais para garantir que sejam fabricadas corretamente. Quando um feixe de íons, tipicamente do metal pesado gálio, bombardeia o material a ser usinado, os íons ejetam átomos da superfície – um processo conhecido como fresagem – para esculpir a peça de trabalho.
Além de seus usos tradicionais na indústria de semicondutores, o FIB também se tornou uma ferramenta crítica para a fabricação de protótipos de dispositivos tridimensionais complexos, desde lentes que focalizam a luz até conduítes que canalizam o fluido. Os pesquisadores também usam o FIB para dissecar amostras biológicas e materiais para obter imagens de sua estrutura interna.

No entanto, o processo FIB foi limitado por um trade-off entre alta velocidade e resolução fina. Por um lado, aumentar a corrente de íons permite que um FIB corte a peça de trabalho mais profundamente e mais rápido. Por outro lado, o aumento da corrente carrega um número maior de íons carregados positivamente, que se repelem eletricamente e desfocam o feixe. Um feixe difuso maior, que pode ter cerca de 100 nanômetros de diâmetro ou 10 vezes mais largo que um feixe estreito típico, não apenas limita a capacidade de fabricar padrões finos, mas também pode danificar a peça de trabalho no perímetro da região fresada. Como resultado, o FIB não tem sido o processo de escolha para aqueles que tentam usinar muitas peças pequenas com pressa.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram que um processo de mascaramento pode virtualmente eliminar essa compensação, permitindo que um FIB processe em alta corrente (e, portanto, alta velocidade) sem sacrificar a resolução fina. A descoberta pode expandir drasticamente a utilidade dos FIBs, não apenas para pesquisadores que fabricam protótipos e preparam amostras, mas também para fabricantes da indústria de semicondutores que precisam de análise rápida, reparo ou personalização de estruturas e dispositivos.

"Tanto na pesquisa quanto na produção, a necessidade de velocidade é real", disse o pesquisador do NIST, Andrew C. Madison.

Madison e seus colegas do NIST, incluindo Samuel M. Stavis e um colaborador do NanoCenter da Universidade de Maryland em College Park, compararam a eficiência de dois processos para obter uma boa resolução com um FIB. Em um processo, os fabricantes simplesmente usam um FIB com um feixe estreito de baixa corrente para esculpir lenta mas cuidadosamente a peça de trabalho - semelhante à maneira como um pintor com um pincel fino cria meticulosamente detalhes nítidos.

O outro método emprega um feixe mais amplo e de corrente mais alta junto com uma máscara, ou filme fino, depositado na peça de trabalho. A região central e mais intensa do feixe de íons penetra na máscara e explode o material subjacente para formar o padrão. A região externa e menos intensa do feixe é bloqueada pela máscara, protegendo a amostra de danos nas bordas do padrão.

O processo de mascaramento é semelhante ao de um pintor que coloca fita adesiva ao redor das bordas de uma área ampla e, em seguida, usa um rolo em vez de um pincel fino para pintar rapidamente a área ampla e ainda obter bordas afiadas.

A equipe do NIST determinou que feixes de corrente muito acima do normal podem ser usados ​​sem comprometer os detalhes do padrão. Estudos anteriores examinando o mascaramento focaram apenas em melhorar a resolução sem considerar o efeito da máscara na velocidade de fabricação. Considerando que a resolução mais fina fornecida pelo processo de mascaramento foi claramente evidente a partir desses estudos, os pesquisadores do NIST descobriram uma melhoria muito maior na velocidade.

Os pesquisadores usaram o óxido de cromo como máscara, estudando suas propriedades materiais e como os íons de gálio do FIB interagiam com ele. Eles então empregaram um feixe largo de alta corrente para explodir um padrão de teste quadriculado em vidro de sílica. Eles descobriram que o processo de mascaramento não apenas forneceu uma resolução similarmente fina para o processo de feixe estreito não mascarado, mas também moeu a amostra muito mais rapidamente devido à corrente de feixe mais alta.

Encorajada pelo resultado, a equipe usou a máscara com um feixe amplo e de alta corrente para usinar lentes Fresnel compactas – versões microscópicas de lentes de farol – que são úteis em dispositivos ópticos que variam de células solares a armadilhas de átomos. Embora o feixe de alta corrente fosse cerca de 10 vezes mais largo que o feixe de baixa corrente, o método produziu lentes que tiveram o mesmo desempenho com uma incerteza de 1%. Dessa forma, os pesquisadores confirmaram que poderiam fabricar lentes semelhantes 75 vezes mais rápido do que usando o processo convencional. "Se tempo é dinheiro, nosso processo permite uma grande venda de lentes pequenas - 75 pelo preço de uma", disse Stavis. "Quer ser rápido? Arranje uma máscara", acrescentou.

A equipe relatou suas descobertas em Materiais Funcionais Avançados . + Explorar mais

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