Al cortar patrones intrincados tan pequeños como varias mil millonésimas de metro de profundidad y ancho, el haz de iones enfocados (FIB) es una herramienta esencial para deconstruir y obtener imágenes de piezas industriales diminutas para garantizar que se fabricaron correctamente. Cuando un haz de iones, generalmente del metal pesado galio, bombardea el material que se va a mecanizar, los iones expulsan átomos de la superficie, un proceso conocido como fresado, para esculpir la pieza de trabajo.

Más allá de sus usos tradicionales en la industria de los semiconductores, la FIB también se ha convertido en una herramienta fundamental para la fabricación de prototipos de dispositivos tridimensionales complejos, que van desde lentes que enfocan la luz hasta conductos que canalizan fluidos. Los investigadores también usan la FIB para diseccionar muestras biológicas y materiales para obtener imágenes de su estructura interna.

Sin embargo, el proceso FIB se ha visto limitado por una compensación entre alta velocidad y alta resolución. Por un lado, el aumento de la corriente de iones permite que una FIB corte la pieza de trabajo de forma más profunda y rápida. Por otro lado, el aumento de corriente transporta una mayor cantidad de iones cargados positivamente, que se repelen eléctricamente y desenfocan el haz. Un haz difuso más grande, que puede tener unos 100 nanómetros de diámetro o 10 veces más ancho que un haz estrecho típico, no solo limita la capacidad de fabricar patrones finos, sino que también puede dañar la pieza de trabajo en el perímetro de la región fresada. Como resultado, el FIB no ha sido el proceso elegido por quienes intentan mecanizar muchas piezas diminutas a toda prisa.

Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han descubierto que un proceso de enmascaramiento puede eliminar virtualmente esta compensación, lo que permite que una FIB mecanice a alta corriente (y, por lo tanto, a alta velocidad) sin sacrificar la resolución fina. El hallazgo podría ampliar drásticamente la utilidad de las FIB, no solo para los investigadores que fabrican prototipos y preparan muestras, sino también para los fabricantes de la industria de los semiconductores que necesitan un rápido análisis, reparación o personalización de estructuras y dispositivos.

"Tanto en la investigación como en la producción, la necesidad de velocidad es real", dijo Andrew C. Madison, investigador del NIST.

Madison y sus colegas del NIST, incluido Samuel M. Stavis y un colaborador del NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park, compararon la eficiencia de dos procesos para lograr una resolución fina con una FIB. En un proceso, los fabricantes simplemente usan un FIB con un haz angosto de baja corriente para esculpir la pieza de trabajo de forma lenta pero cuidadosa, similar a la forma en que un pintor crea detalles nítidos con un pincel fino.

El otro método emplea un haz más ancho y de mayor corriente junto con una máscara, o película delgada, depositada sobre la pieza de trabajo. La región central más intensa del haz de iones penetra la máscara y explota el material subyacente para formar el patrón. La máscara bloquea la región exterior menos intensa del haz, lo que protege la muestra de daños en los bordes del patrón.

El proceso de enmascaramiento es similar al de un pintor que coloca cinta adhesiva alrededor de los bordes de un área amplia y luego utiliza un rodillo en lugar de una brocha fina para pintar rápidamente el área amplia sin dejar de lograr bordes nítidos.

El equipo del NIST determinó que se pueden usar haces de corriente mucho más alta de lo normal sin comprometer los detalles finos del patrón. Los estudios previos que examinaron el enmascaramiento se centraron solo en mejorar la resolución sin considerar el efecto de la máscara en la velocidad de fabricación. Mientras que la resolución más fina proporcionada por el proceso de enmascaramiento fue claramente evidente en estos estudios, los investigadores del NIST descubrieron una mejora mucho mayor en la velocidad.

Los investigadores utilizaron óxido de cromo como máscara, estudiando sus propiedades materiales y cómo interactuaban con él los iones de galio de la FIB. Luego emplearon un haz ancho de alta corriente para hacer estallar un patrón de prueba de tablero de ajedrez en vidrio de sílice. Descubrieron que el proceso de enmascaramiento no solo proporcionó una resolución fina similar al proceso de haz angosto sin enmascarar, sino que también molió la muestra mucho más rápido debido a la corriente de haz más alta.

Animado por el resultado, el equipo luego usó la máscara con un haz ancho de alta corriente para mecanizar lentes de Fresnel compactas, versiones microscópicas de lentes de faro, que son útiles en dispositivos ópticos que van desde células solares hasta trampas atómicas. A pesar de que el haz de alta corriente era unas 10 veces más ancho que el haz de baja corriente, el método produjo lentes que funcionaron de la misma manera con una incertidumbre del 1 %. De esta forma, los investigadores confirmaron que podían fabricar lentes similares 75 veces más rápido que con el proceso convencional. "Si el tiempo es dinero, entonces nuestro proceso permite una gran venta en lentes pequeños:75 por el precio de uno", dijo Stavis. "¿Quieres moler rápido? Consíguete una máscara", agregó.

El equipo informó de sus hallazgos en Advanced Functional Materials . + Explora más

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