Fascicul de particule încărcat cu lampă UV de 172 nm și 222 nm
Fasciculele de particule încărcate sunt împărțite în fascicule de ioni și fascicule de electroni cu arc
1) Fasciculele de ioni includ cele produse prin descărcarea sursei de gaz și cele produse prin descărcarea sursei solide
2) Fasciculele de electroni cu arc includ cele produse prin descărcarea sursei de gaz și cele produse prin descărcarea sursei solide
9.2 Fascicule de ioni
9.2.1 Energia și efectele fasciculelor de ioni
1. Clasificarea intervalelor de energie ale fasciculului de ioni
Energia fasciculelor de ioni este obținută prin accelerare într-un câmp electric de-înaltă tensiune. Intervalele de energie (E) sunt următoarele: 1) Fascicul de ioni de energie înaltă-, E=20–100 keV, utilizat pentru implantarea fasciculului de ioni și amestecarea fasciculului de ioni{. 2) Fascicul de ioni de energie-medie, E=500–1000 eV, utilizat pentru depunerea fasciculului de ioni, decantarea{10}de bomba de ioni, și decantarea{10}de bombe ionice curățare înainte de acoperire. 3) Fascicul de ioni cu energie redusă{{12}, E Mai mic sau egal cu 500 eV, utilizat pentru depunerea asistată în timpul acoperirii. În anumite aplicații de acoperire optică și de dezinfecție a suprafețelor, procesele asistate de-rascicul de ioni cu energie redusă pot fi combinate și cu un bec UV de 222 nm pentru a îmbunătăți și mai mult curățenia suprafeței și aderența filmului.
2. Efectele fasciculelor de ioni asupra suprafețelor materialelor
Fasciculele de ioni de diferite energii produc efecte diferite asupra suprafețelor materialelor [1−6]. (1) Implantarea fasciculului de ioni: implantarea directă a fasciculelor de ioni cu energie înaltă-pe suprafața materialului poate produce noi materiale cu aliaje ne-echilibrate, soluții solide suprasaturate, aliaje și compuși metastabili, suprafețe amorfe și alte structuri organizaționale care sunt dificil de obținut prin metode metalurgice convenționale; permite, de asemenea, implantarea reculului fasciculului ionic și amestecarea fasciculului ionic. (2) Pulverizare prin pulverizare cu fascicul de ioni: Utilizarea-de fascicule de ioni de înaltă energie pentru a pulveriza materialul țintă pentru a obține filme de-puritate ridicată. (3) Gravarea cu fascicul de ioni: utilizarea fasciculelor de ioni de înaltă energie-pentru a îndepărta excesul de material pe substrat, obținând astfel modele compuse din materialele necesare; aceasta este o tehnologie cheie pentru gravarea plăcilor de circuite în industria semiconductoarelor și optoelectronică. (4) Depunere asistată îmbunătățită cu fascicul de ioni: în timpul procesului de acoperire, fasciculele de ioni cu energie înaltă-bombardează piesa de prelucrat simultan, adică acoperirea pe o parte și bombardarea pe cealaltă. Fasciculul de ioni furnizează energie particulelor depuse, realizând depunerea îmbunătățită asistată de fascicul de ioni, care poate produce acoperiri compuse care se conformează rapoartelor stoichiometrice și pot îmbunătăți structura filmului. În acoperirea de precizie a componentelor optice, această tehnologie este uneori combinată cu lumină de 172 nm pentru activarea suprafeței in-situ pentru a îmbunătăți calitatea filmului.
În timpul interacțiunii dintre fasciculele de ioni și suprafețele materialelor, toate aceste fenomene există, dar un anumit fenomen domină în diferite intervale de energie.
9.2.2 Implantarea ionică
Implantarea ionică este o metodă importantă pentru modificarea suprafeței superficiale a materialelor utilizând fascicule de ioni de{0}}energie mare.
1. Tipuri de implantare ionică
Din perspectiva procesului, implantarea ionică poate fi împărțită în: implantare de ioni de gaz, implantare de ioni metalici, implantare de ioni toate-direcționale, implantare de recul de fascicul de ioni și amestecarea fasciculului de ioni [1−7].
2. Mașină de implantare ionică
Figura 9-1 prezintă structura unei mașini industriale de implantare ionică. Aceasta este o mașină de implantare ionică selectivă în masă [1].
Structura mașinii de implantare ionică
1- Filament catodic 2- Anod 3- Intrare gaz 4- Bobina electromagnetică 5- Sursă de ioni 6- Cameră de ieșire 7- Separator de ioni 8- Tub de accelerație 9- Sistem de deviere a ionilor 10- Piesa de prelucrat 11- Masa de lucru 12- Camera țintă de implantare 13- Zona de control de înaltă tensiune 14- Zona de alimentare de înaltă tensiune 611 consola 17- Fereastra de observare 18- Sistem de vid
(1) Obținerea de ioni cu energie înaltă-: sistemul sursă de implantare ionică introduce gaz sau vapori de metal în camera de ionizare pentru a-l ioniza în ioni pozitivi, apoi accelerează ionii pozitivi pentru a le oferi o viteză mare de implantare în solide. (2) Compoziția mașinii de implantare de ioni: Mașina de implantare de ioni include o sursă de ioni, un sistem de analiză a masei, un sistem de accelerare și un sistem de scanare cu deviație. 1) Sursa de ioni: sursa de ioni este cea mai critică componentă a sistemului cu fascicul de ioni. Rolul său este de a ioniza atomii elementului care urmează să fie implantat în ioni. Pentru ionii de gaz (cum ar fi N⁺, Ar⁺, H⁺), gazul este introdus direct în camera de descărcare; pentru ionii metalici, metalul este încălzit și evaporat, apoi atomii de vapori metalici sunt introduși în camera de descărcare pentru ionizare pentru a obține ioni metalici, care sunt apoi extrași din camera de descărcare pentru a forma un fascicul de ioni cu energie de 20–500 keV. 2) Sistem de analiză de masă: Fascicul de ioni extras din mai multe surse de ioni, sau chiar zeci de elemente, include ioni. De obicei, doar ionii unui element sunt necesari pentru implantare, în funcție de aplicație. Separatorul de ioni este sistemul de analiză a masei ionice, care separă ionii necesari de fasciculele multiple de ioni, îndreptându-le spre suprafața piesei de prelucrat în timp ce devia ionii nedoriți. În general, se utilizează un câmp magnetic deflector, ghidând ionii selectați de-a lungul canalului de deviere în camera țintă unde piesa de prelucrat este plasată pentru implantare. După această analiză de masă, alți ioni sunt filtrați. 3) Sistem de accelerație: Ionii sunt accelerați sub acțiunea câmpului electric pentru a obține energie mare, de obicei folosind un sistem de extracție în trei-etape, cu energia ionică accelerată ajungând până la 20–500 keV{. 4) Sistem de scanare: Ioni de-energie mare sunt direcționați în formă de „V0–100” cu energie electrică directă. pe suprafața piesei de prelucrat, cu un interval mic de acțiune pe suprafață. Există două metode pentru a asigura uniformitatea-implantării ionilor de mare energie: una este rotirea piesei de prelucrat; celălalt este de a regla câmpul electromagnetic pentru scanare, permițând fasciculului de ioni să scaneze în mod repetat și uniform proba, extinzând domeniul de modificare pe suprafața de lucru a materialului.
3. Principiul implantării ionice
Implantarea ionică este procesul de ionizare a atomilor de elemente pre{0}}selectați în ioni, accelerarea acestora printr-un câmp electric pentru a obține energie de 20–500 keV și apoi introducerea lor în stratul de suprafață solidă. În teorie, toate elementele din tabelul periodic pot fi utilizate pentru implantarea ionică [1−7].
Ionii energetici de mare viteză-bombărează suprafața materialului, producând coliziuni în cascadă și pătrunzând forțat în materialul substratului la o anumită adâncime. Adâncimea de implantare depinde de masa ionică, energia și tipul de material țintă, variind în general de la câțiva nanometri până la sute de nanometri, procesul de implantare completându-se în aproximativ 10⁻¹² s. Pe lângă creșterea conținutului de element incident pe suprafață, implantarea ionică introduce și multe defecte, cum ar fi locuri vacante, dislocații, grupuri vacante, grupuri de dislocare, atomi interstițiali și grupuri de atomi interstițiali, afectând semnificativ performanța stratului implantat. În întreținerea sistemului optic cu vid, un principiu similar cu becul UV de 222 nm poate fi folosit și pentru detectarea auxiliară a defectelor de suprafață.
4. Tipuri de procese de implantare ionică [1,2]
(1) Implantare continuă: în timpul implantării continue, ionii sunt accelerați la 20-500 keV de energie și implantați continuu pe suprafața materialului, producând un număr mare de defecte de cristal pe suprafață, îmbunătățind semnificativ rezistența la coroziune și rezistența la uzură. Energia fasciculului de ioni este, în general, de aproximativ 60 keV, iar efectul este îmbunătățit și mai mult cu alimentarea cu impulsuri. (2) Implantarea recul: Implantarea recul implică mai întâi depunerea unei pelicule subțiri de material nou B pe suprafața substratului piesei de prelucrat A, apoi utilizarea unui fascicul de ioni de gaz cu energie mare-(cum ar fi Ar⁺ sau N⁺) pentru a lovi atomii de material B în rețeaua substratului, formând un strat mixt A+B cu noi proprietăți de suprafață. Implantarea recul necesită o energie mai mare a fasciculului de ioni, atingând peste 150 keV. (3) Amestecarea fasciculului de ioni [1]
Amestecarea fasciculului de ioni: pre{0}}depuneți alternativ elementele necesare pe substrat pentru a forma o peliculă subțire multistrat (grosimea fiecărui strat de la câțiva nanometri până la zeci de nanometri), apoi bombardați filmul cu ioni energetici pentru a elimina interfețele multistrat, transformându-l într-un amestec uniform la nivel{{1}atomic, formând astfel un nou aliaj pe suprafața substratului. Amestecarea fasciculului de ioni poate fi realizată între medii cu dublu-strat sau filme metalice multistrat: De exemplu: Amestecare între pelicula metalică și substrat; în circuitele integrate, contactele ohmice cu joncțiune superficială utilizează această formă de amestecare a substratului metalic-strat unic-. După amestecarea fasciculului de ioni, la interfață se formează siliciu, reducând rezistența la contact ohmic.
Amestecarea fasciculului de ioni cu peliculă metalică multistrat: amestecarea fasciculului de ioni în peliculele multistrat preparate din sisteme metalice cu dublu-strat este amestecarea fasciculului de ioni cu film multistrat, utilizată pentru a studia transformările de fază ale aliajului a două metale. Substratul poate fi din metal, ceramică sau izolator.
Tehnologia de amestecare dinamică: depunerea și implantarea au loc simultan, cunoscută în mod obișnuit ca tehnologie de depunere îmbunătățită cu fascicul ionic. În funcție de energie, ionii energetici sunt împărțiți în ioni cu energie înaltă-(ordine MeV) și ioni cu energie redusă-(ordine sub keV). Fasciculele de ioni de înaltă-energie necesită acceleratori de ioni și provoacă cu ușurință numeroase defecte în stratul de suprafață al substratului, distrugând cu ușurință mulți atomi depuși și reducând foarte mult rata de depunere. Fasciculele de ioni de -energie scăzută au efecte de suprafață mai bune, așa că depunerea îmbunătățită a fasciculului de ioni utilizează de obicei bombardarea cu fascicule de ioni de-energie scăzută. Bombardarea energetică cu fascicul de ioni a suprafeței filmului induce multe efecte fizico-chimice care influențează decisiv structura și organizarea filmului. În anumite aplicații cu ultraviolete în vid, lumina de 172 nm poate servi ca sursă de lumină auxiliară pentru a îmbunătăți curățenia suprafeței în timpul amestecării dinamice.
Figura 9-2 Procesul de amestecare a fasciculului de ioni: a) Stratul de film depus b) Implantarea de ioni c) Amestecarea fasciculului de ioni ○- Atomi de substrat ●- Atomi de strat de film ●- Ioni
5. Avantajele tehnologiei de implantare ionică
Pe scurt, avantajele implantării ionilor cu energie de 20–500 keV pe suprafețele materialelor pot fi rezumate după cum urmează:
Procesul de implantare ionică are efecte metalurgice ionice, cu compoziția stratului implantat nelimitată de echilibrul termodinamic.
Controlul dozei de ioni implantați pentru a obține proprietățile dorite ale suprafeței.
Creștere minimă a temperaturii substratului în timpul implantării.
Nicio modificare a dimensiunilor piesei de prelucrat sau a rugozității suprafeței în timpul implantării.
Elementele implantate sunt îngropate în stratul implantat, astfel încât stratul de modificare a suprafeței nu se decojește ca acoperirile.
Ionii implantați pot pătrunde în straturile de suprafață existente, straturile de barieră de oxid sau straturile de barieră termică.
Performanța generală a substratului nu este afectată.
Elemente implantate limitate la stratul de suprafață, obținând același efect ca aliajul materialului în vrac, economisind în același timp materiale scumpe și resurse strategice doar prin modificarea suprafeței.
Tehnologia de implantare ionică este aplicată pe scară largă în industria aerospațială, fabricarea mecanică, biomedicină, industria electronică și în alte domenii pentru a îmbunătăți rezistența la uzură a materialelor, rezistența la coroziune, rezistența la oxidare, rezistența la oboseală și proprietățile speciale (cum ar fi supraconductivitate, materiale optice magnetice). În cercetarea metalurgică, implantarea ionică își valorifică avantajele metalurgiei atomice pentru a studia procesele de transformare a fazelor, a sintetiza noi faze și a investiga rolurile metalurgice ale diferitelor elemente din materiale ceramice, materiale superdure etc.
9.2.3 Depunerea prin pulverizare cu fascicul de ioni și gravarea cu fascicul de ioni
Fasciculele de ioni de energie medie-cu energie de 500–1000 eV sunt utilizate în principal pentru depunerea prin pulverizare cu fascicul de ioni și gravarea cu fascicul de ioni [1−5].
1. Depunere prin pulverizare cu fascicul ionic
Fascicule de ioni de energie medie-bombardează suprafața materialului; energia ionică împiedică intrarea în rețeaua materialului, dar transferă energie atomilor țintă, provocând pulverizare, acolo unde aceștia zboară de la suprafață și se depun pe piesa de prelucrat pentru a forma pelicule subțiri. Deoarece pulverizarea este indusă de fascicule ionice, atomii filmului pulverizat au o energie mare, iar în vid înalt cu bombardarea cu fascicul de ioni a țintei, puritatea filmului este ridicată, permițând depunerea de filme de-înaltă calitate cu stabilitate îmbunătățită, obținând proprietăți optice și mecanice mai bune. În prepararea filmelor subțiri optice, acest proces este adesea combinat cu un bec UV de 222 nm pentru curățarea in-situ în camera de vid, asigurând o puritate ridicată în timpul pulverizării. Scopul pulverizării cu fascicul de ioni este de a forma noi materiale de film subțire.
2. Gravarea cu fascicul de ioni
Gravarea cu fascicule de ioni folosește, de asemenea, fascicule de ioni de energie medie{0}}pentru a bombarda suprafața materialului pentru pulverizare, producând gravarea pe substrat; este o tehnologie de bază pentru modelarea în dispozitive semiconductoare, dispozitive optoelectronice și alte domenii. În pregătirea circuitelor integrate de semiconductor, milioane de tranzistoare sunt fabricate pe o placă de siliciu cu un singur-cristal cu diametrul Φ12 in (Φ304,8 mm). Fiecare tranzistor este construit din mai multe straturi de pelicule cu diferite funcții, inclusiv straturi active, straturi de izolație, straturi de izolare, straturi conductoare etc. Fiecare strat funcțional are propriul model, așa că după depunerea fiecărui film subțire funcțional, gravarea cu fascicul ionic îndepărtează părțile inutile, reținând componentele utile ale filmului. Lățimea curentă a firelor de cip ajunge la 7 nm, necesitând gravarea cu fascicul de ioni pentru astfel de modele fine. În comparație cu gravarea umedă inițială, gravarea cu fascicul de ioni este gravarea uscată cu mare precizie. În procesarea dispozitivelor optice cu ultraviolete în vid, lumina de 172 nm este uneori utilizată pentru pretratarea auxiliară a suprafeței înainte de gravare.
Tehnologia de gravare cu fascicul de ioni include gravarea cu fascicul de ioni ne-reactiv și gravarea cu fascicul de ioni reactiv. Primul folosește fascicule de ioni de argon pentru gravarea cu reacție fizică; acesta din urmă utilizează fascicule de ioni de fluor pentru pulverizare, unde pe lângă pulverizarea cu energie înaltă-, fasciculele de ioni de fluor reacționează chimic cu filme gravate precum SiO₂, Si₃N₄, GaAs, W etc., implicând atât procese fizice, cât și chimice pentru viteze de gravare mai rapide. Gravarea reactivă utilizează gaze corozive precum CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃, producând produse secundare SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆, care sunt gaze corozive expulzate. Tehnologia de gravare cu fascicul de ioni este esențială pentru producerea de produse de înaltă-tehnologie.
