Leçon 13.5Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Faisceau d'ions focalisé (FIB)

Usine ou ajoute de la matière avec un faisceau d'ions sous un microscope

Un faisceau d'ions focalisé (FIB) est un sableur à l'échelle nanométrique : un faisceau d'ions gallium, focalisé en un point de quelques nanomètres de large, arrache des atomes à une surface, une minuscule zone à la fois. Le même faisceau peut aussi prendre des images et, avec un peu de gaz, construire de minuscules structures métalliques. Les fabricants de puces l'utilisent pour ouvrir et réparer des puces, et les scientifiques pour trancher des échantillons assez fins pour les microscopes électroniques.

Photo : Cm the p, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Colonne à faisceau d'ions focalisé et échantillon en coupe · 6 étapesLe dessin est une coupe de la colonne ionique et de l'échantillon en dessous ; les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Produire des ions. Du gallium liquide mouille une aiguille à pointe très fine. Un champ électrique intense arrache des ions gallium (atomes ayant perdu un électron, donc porteurs d'une charge électrique) à la pointe.
Accélérer et focaliser. Les ions sont accélérés, typiquement jusqu'à environ 30 kV, et des lentilles électriques (anneaux chargés qui courbent la trajectoire des particules chargées) les resserrent en un point de quelques nanomètres. Un diaphragme (un petit trou) fixe le nombre d'ions qui passent : plus d'ions coupent plus vite mais font un point plus large.
Balayer. Des plaques de balayage dirigent le faisceau sur la surface selon un motif programmé, comme une minuscule trajectoire d'outil CNC.
Usiner. Chaque ion frappe la surface comme un boulet de canon microscopique et expulse quelques atomes. C'est ce qu'on appelle la pulvérisation. Passe après passe, le faisceau creuse des tranchées, des trous ou des coupes dont les parois sont précises à quelques dizaines de nanomètres.
Imager. Les impacts arrachent aussi des électrons. Un détecteur les collecte pour construire une image, comme un microscope électronique à balayage ; la plupart des machines ont aussi une vraie colonne électronique pour une imagerie plus douce.
Déposer ou prélever. Une aiguille projette un gaz contenant du platine ou du tungstène. Là où le faisceau frappe, le gaz se décompose et laisse un dépôt métallique, utilisé pour recâbler des puces ou pour souder une fine lamelle à une minuscule sonde et la soulever.

Chiffres clés

Matériaux: Presque tout sous vide : silicium, métaux, céramiques, verre, polymères, échantillons biologiques congelés
Pièces typiques: Coupes et réparations de puces, fines lamelles pour microscopes électroniques, nanomotifs, minuscules pointes de sondes
Taille de pièce: Détails d'environ 10 nm à des dizaines de micromètres, sur des échantillons de quelques millimètres à une plaquette entière
Précision: D'environ dix à quelques dizaines de nanomètres
État de surface: Faces de coupe très lisses ; la surface garde un peu de gallium implanté et une fine couche abîmée
Taille de série adaptée: Pièces uniques : analyse, réparations, prototypes
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage ; les instruments coûtent de plusieurs centaines de milliers à quelques millions de dollars
Vitesse: Très lent : enlever un cube de quelques micromètres de côté peut prendre de quelques minutes à quelques heures

Atouts et limites

Atouts

Coupe exactement où vous choisissez, à l'échelle du nanomètre, sans masque
Usine, image et dépose dans la même machine
Fonctionne sur presque tout matériau solide
Peut réparer ou recâbler une puce finie

Limites

Extrêmement lent ; seulement de minuscules volumes
Les ions gallium s'implantent dans la surface et l'abîment
Instrument coûteux, vide et opérateur qualifié
En série, un point à la fois : inadapté à la production

Où on l'utilise

Semi-conducteursAnalyse de défaillances, coupes de puces défectueuses, modifications de circuits sur des prototypes
MicroscopieFines lamelles pour microscopes électroniques en transmission
Science des matériauxImagerie 3D par « tranche et image » de métaux, de batteries, de roches
NanofabricationNanomotifs, nanopores, pointes pour microscopes à sonde
Sciences de la vieFines lamelles de cellules congelées (cryo-FIB)

Comment le reconnaître

On ne le voit pas. Les coupes FIB sont bien trop petites pour l'œil ; vous n'en repérerez jamais sur un produit. Son travail se cache derrière les puces de votre téléphone et de votre ordinateur, dont les prototypes ont été ouverts, inspectés et parfois réparés avec lui.
Au microscope électronique, le travail FIB apparaît sous forme de boîtes et de tranchées parfaitement rectangulaires aux parois lisses et abruptes, souvent avec une fosse en escalier devant une face de coupe polie.
Bandes de platine. Une fine bande de métal protectrice posée sur une zone coupée est une signature typique du FIB.

À comparer avec

Photolithographie13.2dessine toute une plaquette d'un coup à travers un masque ; le FIB écrit un point à la fois sans masque, bien plus lent mais flexible.Usinage laser femtoseconde13.6enlève aussi la matière avec précision sans outil, mais bien plus vite et à l'échelle du micromètre plutôt que du nanomètre.Électroérosion par enfonçage6.6enlève le métal par étincelles à l'échelle du millimètre ; le FIB enlève des atomes avec des ions.

À regarder

Penn State MRI · Une introduction claire en laboratoire à l'instrument et à ce qu'il fait

AIF NC State University · Usinage en direct, vu sur l'écran de l'opérateur

Covalent · Comment une fine lamelle est découpée, soudée à une sonde et soulevée

PicoScientific · Imagerie par tranches qui reconstruit un échantillon en 3D

Voir de vraies photos

Wikipédia : Faisceau d'ions focalisé — illustrations de la colonne ionique et de structures faites au FIB
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Un faisceau focalisé d'ions gallium enlève des atomes exactement là où il est dirigé.
La même machine usine, image et dépose du métal, le tout à l'échelle du nanomètre.
C'est un outil d'analyse, de réparation et de prototypes, bien trop lent pour la production de masse.