Faisceau d’ions focalisés par contre-réaction d’électrons corrélés
Projet FIBback
La détection, le contrôle et la manipulation des particules individuelles sont cruciaux pour le développement de nouvelles technologies. Actuellement la production en série de dispositifs de 7 nm est courante avec des objectifs de 5 nm et même 3 nm en 20221. Une limitation très importante à ce développement est le fait que les outils d’analyse de la fabrication de ces circuits imprimés, que sont les faisceaux d’ions focalisés (FIB : Focused Ion Beam) standards, n’ont actuellement pas la taille de sonde nécessaire. Ainsi, pour la technologie des semi-conducteurs, mais aussi pour de nombreux développements de la technologie quantique, une nouvelle méthode d’analyse est nécessaire. Le fait de pouvoir contrôler le nombre et la position des atomes (ou des ions) à l’échelle nanométrique jettera donc les bases des technologies futures. Un véritable bond technologique est nécessaire pour adresser ces dimensions ultimes.
C’est exactement le défi spécifique que Le projet FIBback veut relever (Figure #FB) en combinant l’expertise de la société Orsay Physics (OP) (http://www.orsayphysics.com/) spécialiste mondiale en faisceaux d’ions focalisés, et celle du Laboratoire Aimé Cotton (LAC) qui vient récemment de démontrer le contrôle ion par ion d’une source d’ions césium [Lop19, Tri20]. Ce projet vise donc à réaliser le contrôle ion par ion d’une source d’ions césium à l’échelle sub-nanométrique en couplant à une colonne d’ions focalisés à atomes froids développée par OP le système de contrôle de la trajectoire de chaque ion par contre-réaction, basée sur l’information issue de la mesure des électrons détectés en coïncidence, mis au point au LAC [Lop19]. Pour cela OP a envoyé au LAC en mars 2021 la colonne FIB développée conjointement avec le LAC depuis plus de 10 ans basée sur un jet de césium refroidi par laser (ColdFIB).
La première étape du projet est la conception et réalisation d’un nouveau bloc d’électrodes pour permettre d’étudier et de valider au niveau nanométrique la qualité de la corrélation ion-électron. Une fois étudiées les limitations de cette corrélation (vibrations, stabilité des électrodes, blindages magnétiques, etc..), nous pourrons réaliser des expériences d’imagerie à très haute résolution. Nous commencerons à bas flux (100 fA) avec notre détecteur temps-position actuel (lignes à retard). L’utilisation d’un Timepix 4 permettra d’augmenter ensuite le flux. Une résolution sub-nanométrique, rendue possible grâce à la méthode d’imagerie fantôme démontrée récemment au LAC (Figure #GI), constituera une révolution en imagerie avec des ions lourds. En adaptant l’électronique développée par le LAC dans l’expérience SIEC [Lop19], il sera aussi possible de corriger la trajectoire de chaque ion en changeant rapidement la tension d’une lentille du FIB. Là aussi le but sera finalement d’atteindre la résolution sub-nanométrique même à très basse énergie de faisceau (gamme de 500 eV à 5 keV) afin de ne pas trop endommager les échantillons. Enfin, vers 2024, un retour du FIB à Orsay Physics permettra une optimisation finale de l’expérience dans des expériences de gravure, de déposition et de préparation (découpe) d’échantillon avec une précision sub-nanométrique de façon robuste. Les étapes de fiabilisation et de simplification seront fondamentales pour la mise au point d’un prototype industriel. Les avantages scientifiques et industriels du projet FIBback seront nombreux à court, moyen et long termes, car il s’agit d’une percée technologique qui permettra de surmonter les limites des outils de diagnostic dans la fabrication des semi-conducteurs, mais aussi parce qu’il ouvrira la voie au contrôle du nombre et de la position des atomes (ou ions) implantés à l’échelle nanométrique, ce qui est à la base de la plupart des technologies (quantiques) futures.
Références :
[Lop19]
Real-time trajectory control of deterministically produced ions
C. Lopez, A. Trimeche, D. Comparat and Y.J. Picard
Phys. Rev. Applied 11 064049 (2019)
[hal-02498878] [arXiv:2003.02186]
[Tri20]
Ion and electron ghost imaging
A. Trimeche, C. Lopez, D. Comparat and Y. J. Picard
Phys. Rev. Research 2, 043295 (2020)