УФ-лампа с длиной волны 172 нм и 222 нм, луч заряженных частиц
Пучки заряженных частиц делятся на пучки ионов и пучки дуговых электронов.
1) Ионные пучки включают пучки, создаваемые разрядом газового источника, и пучки, создаваемые разрядом твердого источника.
2) К дуговым электронным пучкам относятся пучки, создаваемые разрядом газового источника, и пучки, создаваемые разрядом твердого источника.
9.2. Ионные пучки
9.2.1 Энергия и эффекты ионных пучков
1. Классификация энергетических диапазонов ионных пучков.
Энергия ионных пучков получается за счет ускорения в электрическом поле высокого-напряжения. Диапазоны энергии (E) следующие: 1) Ионный пучок высокой-энергии, E=20–100 кэВ, используется для ионно-лучевой имплантации и ионно-лучевого смешивания. 2) Ионный пучок средней- энергии, E=500–1000 эВ, используется для ионно-лучевого распыления, ионно-лучевого травления и предварительной-бомбардировочной очистки перед покрытие. 3) Ионный пучок низкой-энергии, E меньше или равна 500 эВ, используемый для вспомогательного осаждения во время нанесения покрытия. В некоторых приложениях для оптических покрытий и дезинфекции поверхностей процессы с использованием низкоэнергетических ионных лучей также можно комбинировать с УФ-лампой с длиной волны 222 нм для дальнейшего улучшения чистоты поверхности и адгезии пленки.
2. Воздействие ионных пучков на поверхности материалов.
Ионные пучки разной энергии оказывают различное воздействие на поверхности материалов [1-6]. (1) Имплантация ионного пучка. Прямая имплантация ионных пучков высокой-энергии в поверхность материала позволяет создавать новые материалы с не-равновесными сплавами, пересыщенными твердыми растворами, метастабильными сплавами и соединениями, аморфными поверхностями и другими организационными структурами, которые трудно получить обычными металлургическими методами; он также позволяет осуществлять имплантацию отдачи ионного пучка и смешивание ионного пучка. (2) Ионно-лучевое распыление: использование ионных пучков высокой-энергии для распыления целевого материала с целью получения пленок высокой-чистоты. (3) Ионно-лучевое травление: использование ионных пучков высокой энергии для распыления лишнего материала на подложке, тем самым получая узоры, состоящие из необходимых материалов; это ключевая технология травления печатных плат в полупроводниковой и оптоэлектронной промышленности. (4) Осаждение с использованием ионного луча: во время процесса нанесения покрытия пучки ионов высокой энергии бомбардируют заготовку одновременно, т. е. наносят покрытие на одну сторону и бомбардируют другую. Ионный луч снабжает энергией осаждаемые частицы, выполняя усиленное осаждение с помощью ионного луча, что позволяет получить составные покрытия, соответствующие стехиометрическим соотношениям, и улучшить структуру пленки. При прецизионном покрытии оптических компонентов эту технологию иногда комбинируют со светом с длиной волны 172 нм для активации поверхности на месте для улучшения качества пленки.
При взаимодействии ионных пучков с поверхностями материала все эти явления существуют, но в разных энергетических диапазонах доминирует одно конкретное явление.
9.2.2 Ионная имплантация
Ионная имплантация – важный метод поверхностной модификации материалов с использованием ионных пучков высокой-энергии.
1. Виды ионной имплантации
С точки зрения процесса ионную имплантацию можно разделить на: имплантацию газовыми ионами, имплантацию ионов металлов, всенаправленную ионную имплантацию, имплантацию отдачи ионного луча и смешивание ионного луча [1-7].
2. Машина ионной имплантации.
На рисунке 9-1 показана конструкция промышленной установки для ионной имплантации. Это аппарат масс-селективной ионной имплантации [1].
Структура машины ионной имплантации
1- Катодная нить 2- Анод 3- Вход газа 4- Электромагнитная катушка 5- Источник ионов 6- Выходная камера 7- Сепаратор ионов 8- Ускорительная трубка 9- Система отклонения ионов 10- Заготовка 11- Рабочий стол 12- Камера мишени для имплантации 13- Источник питания 14- Защитный экран 15- Зона высокого напряжения 16- Пульт управления 17- Смотровое окно 18- Вакуумная система
(1) Получение ионов с высокой-энергией: система источника ионной имплантации вводит газ или пары металла в ионизационную камеру, чтобы ионизировать ее до положительных ионов, затем ускоряет положительные ионы, чтобы придать им высокую скорость для имплантации в твердые тела. (2) Состав установки ионной имплантации: Установка ионной имплантации включает в себя источник ионов, систему массового анализа, систему ускорения и систему сканирования отклонения. 1) Источник ионов: Источник ионов является наиболее важным компонентом в системе ионного пучка. Его роль заключается в ионизации атомов имплантируемого элемента в ионы. Для ионов газа (таких как N⁺, Ar⁺, H⁺) газ вводится непосредственно в разрядную камеру; для ионов металла металл нагревается и испаряется, затем атомы паров металла вводятся в разрядную камеру для ионизации с получением ионов металлов, которые затем извлекаются из разрядной камеры с образованием ионного пучка с энергией 20–500 кэВ. 2) Система масс-анализа: Ионный пучок, извлекаемый из источника ионов, включает в себя ионы нескольких, а то и десятков элементов. Обычно для имплантации необходимы ионы только одного элемента, в зависимости от применения. Сепаратор ионов — это система анализа массы ионов, которая отделяет необходимые ионы от множества ионных пучков, направляя их к поверхности детали, одновременно отклоняя нежелательные ионы. Обычно используется отклоняющее магнитное поле, направляющее выбранные ионы по отклоняющему каналу в целевую камеру, куда помещается заготовка для имплантации. После этого масс-анализа другие ионы отфильтровываются.. 3) Система ускорения: ионы ускоряются под действием электрического поля для получения высокой энергии, обычно с использованием трехступенчатой системы извлечения, при этом энергия ускоренных ионов достигает 20–500 кэВ.. 4) Система сканирования: ионы высокой-энергии с энергией 20–100 кэВ направляются в форме «луча» прямо на поверхность заготовки, с небольшим диапазоном воздействия на поверхность. Существует два метода обеспечения равномерности имплантации ионов высокой-энергии: один — вращение заготовки; другой — настроить электромагнитное поле для сканирования, позволяя ионному лучу многократно и равномерно сканировать образец, расширяя диапазон модификации на рабочей поверхности материала.
3. Принцип ионной имплантации.
Ионная имплантация — это процесс ионизации заранее-атомов выбранных элементов в ионы, ускорения их с помощью электрического поля для получения энергии 20–500 кэВ и последующего введения их в поверхностный слой твердого тела. Теоретически все элементы таблицы Менделеева могут быть использованы для ионной имплантации [1-7].
Энергичные ионы с высокой-скоростью бомбардируют поверхность материала, вызывая каскадные столкновения и принудительно проникая в материал подложки на определенную глубину. Глубина имплантации зависит от массы иона, энергии и типа материала мишени и обычно составляет от нескольких нанометров до сотен нанометров, при этом процесс имплантации занимает примерно 10⁻¹² с. Помимо увеличения содержания падающих элементов на поверхности, ионная имплантация также вносит множество дефектов, таких как вакансии, дислокации, вакансионные кластеры, кластеры дислокаций, межузельные атомы и кластеры межузельных атомов, что существенно влияет на характеристики имплантированного слоя. При обслуживании вакуумных оптических систем аналогичный принцип с УФ-лампой 222 нм также можно использовать для вспомогательного обнаружения дефектов поверхности.
4. Типы процессов ионной имплантации [1,2]
(1) Непрерывная имплантация: во время непрерывной имплантации ионы ускоряются до энергии 20–500 кэВ и непрерывно имплантируются в поверхность материала, создавая большое количество кристаллических дефектов на поверхности, что значительно улучшает коррозионную стойкость и износостойкость. Энергия ионного пучка обычно составляет около 60 кэВ, а эффект еще больше усиливается при импульсном источнике питания. (2) Имплантация отдачи: Имплантация отдачи включает в себя сначала осаждение тонкой пленки нового материала B на поверхность подложки заготовки A, а затем использование пучка газовых ионов высокой энергии (например, Ar⁺ или N⁺) для выбивания атомов материала B в решетку подложки, образуя смешанный слой A+B с новыми поверхностными свойствами. Имплантация отдачи требует более высокой энергии ионного пучка, достигающей более 150 кэВ. (3) Ионно-лучевое смешивание [1]
Ионно-лучевое смешивание: предварительно-наносите необходимые элементы поочередно на подложку, чтобы сформировать многослойную тонкую пленку (толщина каждого слоя от нескольких нанометров до десятков нанометров), затем бомбардируйте пленку энергичными ионами, чтобы устранить многослойные границы раздела, превращая ее в однородное смешение на атомном-уровне, тем самым формируя новый сплав на поверхности подложки. Смешение ионным лучом может выполняться между двухслойными средами или многослойными металлическими пленками: Например: смешивание металлической пленки и подложки; в интегральных схемах омические контакты с мелким переходом используют эту однослойную форму смешивания -металлической-подложки. После смешения ионным пучком на границе раздела образуется силицид, снижающий омическое контактное сопротивление.
Смешение ионным пучком многослойной металлической пленки. Смешение ионного пучка в многослойных пленках, приготовленных из двухслойных металлических систем, представляет собой ионно-лучевое смешивание многослойных пленок, используемое для изучения фазовых превращений сплавов двух металлов. Подложка может быть металлической, керамической или изоляционной.
Технология динамического смешивания: осаждение и имплантация происходят одновременно, широко известная как технология осаждения, усиленного ионным лучом. В зависимости от энергии энергичные ионы делятся на ионы с высокой-энергией (порядок МэВ) и ионы с низкой-энергией (порядок ниже кэВ). Пучки ионов высокой-энергии требуют ускорителей ионов и легко вызывают многочисленные дефекты в поверхностном слое подложки, легко выбивая множество осажденных атомов и значительно снижая скорость осаждения. Пучки ионов низкой-энергии обладают лучшим поверхностным эффектом, поэтому для осаждения, усиленного ионным пучком, обычно используется бомбардировка пучком ионов низкой-энергии. Энергичная бомбардировка поверхности пленки ионным пучком вызывает множество физико-химических эффектов, которые решающим образом влияют на структуру и организацию пленки. В некоторых случаях применения вакуумного ультрафиолета свет с длиной волны 172 нм может служить вспомогательным источником света для повышения чистоты поверхности во время динамического смешивания.
Рисунок 9-2 Процесс смешивания ионным пучком: a) Нанесенный слой пленки b) Ионная имплантация c) Смешение ионным пучком ○- Атомы подложки ●- Атомы слоя пленки ●- Ионы
5. Преимущества технологии ионной имплантации.
Подводя итог, преимущества имплантации ионов с энергией 20–500 кэВ в поверхность материалов можно резюмировать следующим образом:
Процесс ионной имплантации имеет ионно-металлургический эффект, при этом состав имплантированного слоя не ограничен термодинамическим равновесием.
Контроль дозы имплантированных ионов для достижения желаемых свойств поверхности.
Минимальное повышение температуры подложки во время имплантации.
Никаких изменений в размерах заготовки или шероховатости поверхности во время имплантации.
Имплантированные элементы погружены в имплантированный слой, поэтому слой модификации поверхности не отслаивается, как покрытия.
Имплантированные ионы могут проникать через существующие поверхностные покрытия, оксидные барьерные слои или слои теплового барьера.
Общая производительность подложки не изменилась.
Имплантированные элементы ограничены поверхностным слоем, достигая того же эффекта, что и легирование объемного материала, при этом экономя дорогие материалы и стратегические ресурсы только за счет модификации поверхности.
Технология ионной имплантации широко применяется в аэрокосмической, машиностроительной, биомедицинской, электронной промышленности и других областях для улучшения износостойкости материалов, коррозионной стойкости, стойкости к окислению, усталостной прочности и особых свойств (таких как сверхпроводимость, магнитооптические материалы). В металлургических исследованиях ионная имплантация использует преимущества атомной металлургии для изучения процессов фазового превращения, синтеза новых фаз и исследования металлургической роли различных элементов в керамических материалах, сверхтвердых материалах и т. Д.
9.2.3 Ионно-лучевое напыление и ионно-лучевое травление
Ионные пучки средних-энергий с энергией 500–1000 эВ в основном используются для ионно-лучевого осаждения и ионно-лучевого травления [1-5].
1. Ионно-лучевое напыление.
Пучки ионов средней-энергии бомбардируют поверхность материала; энергия ионов предотвращает проникновение в решетку материала, но передает энергию атомам мишени, вызывая распыление, когда они отлетают от поверхности и осаждаются на заготовке, образуя тонкие пленки. Поскольку распыление индуцируется ионными лучами, распыляемые атомы пленки имеют высокую энергию, а в условиях высокого вакуума с бомбардировкой мишени ионным лучом чистота пленки высокая, что позволяет наносить пленки высокого-качества с повышенной стабильностью, достигая лучших оптических и механических свойств. При изготовлении оптических тонких пленок этот процесс часто сочетается с использованием УФ-лампы с длиной волны 222 нм для очистки на месте в вакуумной камере, обеспечивая высокую чистоту во время распыления. Целью ионно-лучевого распыления является создание новых тонкопленочных материалов.
2. Ионно-лучевое травление
При ионно-лучевом травлении также используются пучки ионов средней-энергии, которые бомбардируют поверхность материала для распыления, производя травление на подложке; это основная технология создания рисунков в полупроводниковых устройствах, оптоэлектронных устройствах и других областях. При подготовке полупроводниковых интегральных микросхем миллионы транзисторов изготавливаются на одной - кремниевой пластине диаметром Φ12 дюймов (Φ304,8 мм). Каждый транзистор состоит из нескольких слоев пленок с разными функциями, включая активные слои, изоляционные слои, изоляционные слои, проводящие слои и т. д. Каждый функциональный слой имеет свой собственный рисунок, поэтому после нанесения каждой функциональной тонкой пленки ионно-лучевое травление удаляет ненужные части, сохраняя полезные компоненты пленки. Ширина проводов нынешних чипов достигает 7 нм, поэтому для получения таких тонких рисунков требуется ионно-лучевое травление. По сравнению с первоначальным мокрым травлением, ионно-лучевое травление представляет собой сухое травление с высокой точностью. При обработке вакуумных ультрафиолетовых оптических устройств свет с длиной волны 172 нм иногда используется для вспомогательной предварительной обработки поверхности перед травлением.
Технология ионно-лучевого травления включает в себя не-реактивное ионно-лучевое травление и реактивное ионно-лучевое травление. В первом используются пучки ионов аргона для физического реакционного травления; последний использует пучки ионов фтора для распыления, где в дополнение к распылению с высокой -энергией пучки ионов фтора химически реагируют с травлеными пленками, такими как SiO₂, Si₃N₄, GaAs, W и т. д., включая как физические, так и химические процессы для более высоких скоростей травления. При реактивном травлении используются агрессивные газы, такие как CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃, с образованием побочных продуктов SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆, которые представляют собой выделяемые агрессивные газы. Технология ионно-лучевого травления необходима для производства высокотехнологичной продукции.
