用于纳米级加工的超快工艺美国国家标准与技术 研究院左：传统的 FIB 工艺需要一个窄的、低电流的离子束来制造具有高分辨率的石英玻璃灯塔透镜的微型版本。由于该束具有低离子电流，该方法耗时。右图：在石英玻璃上放置一层氧化铬保护层，使机械师能够使用更高电流的离子束，从而使制造相同镜片的速度提高 75 倍。图片来源：Andrew C. Madison、Samuel M. Stavis/NIST聚焦离子束 (FIB) 可切割小至数十亿分之一米深和宽的复杂图案，是解构和成像微型工业部件以确保正确制造它们的重要工具。当一束离子（通常是重金属镓）轰击要加工的材料时，离子会从表面喷射原子——这一过程称为铣削——以雕刻工件。除了在半导体行业的传统用途外，FIB 还成为制造复杂 3D 设备原型的关键工具，范围从聚焦光的透镜到引导流体的导管。研究人员还使用 FIB 解剖生物和材料样本以成像其内部结构。

然而，FIB 工艺受到高速和高分辨率之间权衡的限制。一方面，增加离子电流可以让 FIB 更深更快地切入工件。另一方面，增加的电流携带更多带正电的离子，它们相互电排斥并使光束散焦。较大的漫射光束（直径约为 100 纳米或比典型的窄光束宽 10 倍）不仅限制了制造精细图案的能力，而且还会损坏铣削区域周边的工件。因此，FIB 并不是那些试图匆忙加工许多微小零件的人的首选工艺。

现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员发现，掩蔽工艺实际上可以消除这种权衡，使 FIB 能够在高电流（因此高速）下加工而不会牺牲精细分辨率。这一发现可以极大地扩展 FIB 的实用性，不仅适用于制造原型和准备样品的研究人员，也适用于需要快速分析、修复或定制结构和设备的半导体行业制造商。

“在研究和生产中，对速度的需求都是真实的，”NIST 研究员 Andrew C. Madison 说。

Madison 和他在 NIST 的同事，包括 Samuel M. Stavis 和马里兰大学帕克分校纳米中心的合作者，比较了使用 FIB 实现高分辨率的两种工艺的效率。在一个过程中，制造商只需使用具有低电流、窄光束的 FIB 来缓慢而小心地雕刻工件——类似于画家用细刷子煞费苦心地创造清晰细节的方式。另一种方法采用更高电流、更宽的光束以及沉积在工件上的掩模或薄膜。离子束的中心、最强烈的区域穿透掩模并喷射下面的材料以形成图案。光束的强度较低的外部区域被掩模阻挡，保护样品免受图案边缘的损坏。

遮蔽过程类似于画家将遮蔽胶带放在大面积边缘周围，然后使用滚筒而不是细刷快速绘制大面积区域，同时仍能获得锋利边缘的过程。

NIST 团队确定可以使用远高于正常电流的光束，而不会影响图案的精细细节。先前研究掩蔽的研究仅集中在提高分辨率上，而没有考虑掩膜对制造速度的影响。尽管从这些研究中可以明显看出掩蔽过程提供的更精细的分辨率，但 NIST 研究人员发现速度有了更大的提高。

研究人员使用氧化铬作为掩膜，研究其材料特性以及 FIB 中的镓离子如何与其相互作用。然后，他们使用高电流、宽光束将棋盘测试图案爆破到石英玻璃中。他们发现，掩蔽工艺不仅提供了与未掩蔽的窄光束工艺相似的精细分辨率，而且由于更高的束电流，研磨样品的速度也更快。

受到结果的鼓舞，该团队随后使用具有宽大电流光束的掩模来加工紧凑的菲涅耳透镜——灯塔透镜的微观版本——可用于从太阳能电池到原子阱的光学设备。尽管高电流光束比低电流光束宽约 10 倍，但该方法产生的透镜性能相同，不确定度为 1%。通过这种方式，研究人员证实，他们制造类似镜片的速度比使用传统工艺快 75 倍。“如果时间就是金钱，那么我们的工艺可以大批量销售小镜头——一个价格为 75 个，”斯塔维斯说。“想快速磨吗？给你戴个面具，”他补充道。

该团队在高级功能材料中报告了他们的发现。