172 nm i 222 nm UV lampa napunjena česticama zraka
Zrake naelektrisanih čestica dijele se na snopove jona i snopove elektrona luka
1) Jonski snopovi uključuju one proizvedene pražnjenjem izvora plina i one proizvedene pražnjenjem čvrstog izvora
2) Elektronski snopovi luka uključuju one proizvedene pražnjenjem izvora plina i one proizvedene pražnjenjem čvrstog izvora
9.2 Jonski snopovi
9.2.1 Energija i efekti jonskih zraka
1. Klasifikacija energetskih opsega jonskog snopa
Energija jonskih snopova se dobija ubrzanjem u visokonaponskom-električnom polju. Opseg energije (E) je sljedeći: 1) Visok-jonski snop visoke energije, E=20–100 keV, koristi se za implantaciju jonskog snopa i miješanje jonskog snopa. 2) Srednje-energetski snop jona, E=500–1000 eV, koristi se za postavljanje ionskog snopa i dr. Pred{10}}i{}enje prije bombardiranja. 3) Niskoenergetski{12}}ionski snop, E Manji ili jednak 500 eV, koji se koristi za potpomognuto taloženje tokom premaza. U određenim aplikacijama optičkog premaza i dezinfekcije površina, procesi potpomognuti niskoenergetskim ionskim snopom mogu se kombinirati sa UV sijalicom od 222 nm kako bi se dodatno poboljšala čistoća površine i adhezija filma.
2. Utjecaj jonskih zraka na površine materijala
Jonski snopovi različitih energija proizvode različite efekte na površine materijala [1-6]. (1) Implantacija jonskog snopa: Direktno implantiranje visoko{4}}snopova jona visoke energije u površinu materijala može proizvesti nove materijale sa ne-neravnotežnim legurama, prezasićenim čvrstim otopinama, metastabilnim legurama i spojevima, amorfnim površinama i drugim organizacijskim strukturama koje je teško dobiti konvencionalnim metalurškim metodama; takođe omogućava implantaciju trzanja jonskog snopa i mešanje jonskog snopa. (2) Raspršivanje jonskim snopom: Korištenje snopova jona visoke{8}}e energije za raspršivanje ciljanog materijala kako bi se dobili filmovi visoke -čistoće. (3) Jetkanje jonskim snopom: Upotreba visokoenergetskih snopova jona za raspršivanje viška materijala na podlozi, čime se dobijaju uzorci sastavljeni od potrebnih materijala; ovo je ključna tehnologija za graviranje ploča u poluvodičkoj i optoelektronskoj industriji. (4) Taloženje potpomognuto poboljšanim jonskim snopom: Tokom procesa nanošenja premaza, snopovi jona visoke{15}}e energije istovremeno bombardiraju radni predmet, tj. premaz s jedne strane i bombardiranje s druge strane. Jonski snop daje energiju deponovanim česticama, izvodeći poboljšano taloženje uz pomoć ionskog snopa, što može dati složene prevlake u skladu sa stehiometrijskim omjerima i poboljšati strukturu filma. U preciznom premazivanju optičkih komponenti, ova tehnologija se ponekad kombinuje sa svjetlom od 172 nm za in-situ površinsku aktivaciju radi poboljšanja kvaliteta filma.
Tokom interakcije između jonskih snopa i površina materijala, sve ove pojave postoje, ali jedna posebna pojava dominira u različitim energetskim rasponima.
9.2.2 Ionska implantacija
Ionska implantacija je važna metoda za plitku modifikaciju površine materijala pomoću snopova jona visoke{0}}e energije.
1. Vrste ionske implantacije
Iz perspektive procesa, implantacija jona može se podijeliti na: implantaciju plinskih jona, implantaciju metalnih jona, sve{0}}usmjerenu ionsku implantaciju, implantaciju povratnog snopa jona i miješanje jonskog snopa [1-7].
2. Mašina za ionsku implantaciju
Slika 9-1 prikazuje strukturu industrijske mašine za ionsku implantaciju. Ovo je masovno selektivna mašina za ionsku implantaciju [1].
Struktura mašine za ionsku implantaciju
1- Katodni filament 2- Anoda 3- Ulaz plina 4- Elektromagnetni kalem 5- Izvor jona 6- Izlazna komora 7- Jonski separator 8- Cijev za ubrzanje 9- Sistem za otklanjanje jona 10- Radni komad 11- Radni sto za cilj 12- Dovod struje 12-komora 15- Područje visokog napona 16- Upravljačka konzola 17- Prozor za posmatranje 18- Vakumski sistem
(1) Dobivanje visoko-jona energije: Sistem izvora jonske implantacije uvodi plin ili metalnu paru u jonizacijsku komoru da ih jonizuje u pozitivne jone, zatim ubrzava pozitivne jone da bi im dao veliku brzinu za implantaciju u čvrste tvari. (2) Sastav mašine za ionsku implantaciju: Mašina za jonsku implantaciju uključuje izvor jona, sistem analize mase, sistem ubrzanja i sistem skeniranja skretanja. 1) Izvor jona: Izvor jona je najkritičnija komponenta u sistemu jonskog snopa. Njegova uloga je da ionizira atome elementa koji se implantiraju u ione. Za jone gasa (kao što su N⁺, Ar⁺, H⁺), gas se direktno uvodi u komoru za pražnjenje; za metalne jone, metal se zagreva i isparava, zatim se atomi metalne pare uvode u komoru za pražnjenje radi jonizacije da bi se dobili metalni joni, koji se zatim ekstrahuju iz komore za pražnjenje da bi se formirao jonski snop sa energijom od 20–500 keV. 2) Sistem analize mase: Sistem za analizu mase: Jonski snop sadrži nekoliko elemenata koji se ekstrahuju iz jonskog snopa. Tipično, joni samo jednog elementa su potrebni za implantaciju ovisno o primjeni. Separator jona je sistem za analizu jonske mase, koji odvaja potrebne jone od višestrukih snopova jona, usmeravajući ih prema površini radnog komada, dok odbija neželjene jone. Općenito se koristi odbojno magnetsko polje, koje vodi odabrane ione duž kanala za otklon u ciljnu komoru gdje se obradak postavlja za implantaciju. Nakon ove analize mase, drugi joni se filtriraju. 3) Sistem ubrzanja: Joni se ubrzavaju pod djelovanjem električnog polja kako bi dobili visoku energiju, obično koristeći trostepeni sistem ekstrakcije, pri čemu ubrzana energija jona doseže do 20–500 keV. 4) Sistem skeniranja: Visoka{19}}energija je direktna energija od 20V – 0V "beam" oblik ravno na površinu obratka, sa malim rasponom djelovanja na površini. Postoje dvije metode da se osigura ujednačenost implantacije visoko{23}}energetskih jona: jedna je rotacija radnog komada; drugi je podešavanje elektromagnetnog polja za skeniranje, omogućavajući snopu jona da više puta i ujednačeno skenira uzorak, proširujući opseg modifikacije na radnoj površini materijala.
3. Princip ionske implantacije
Ionska implantacija je proces ionizacije unaprijed-odabranih atoma elemenata u jone, ubrzavajući ih putem električnog polja kako bi dobili energiju od 20–500 keV, a zatim ih uvodi u čvrsti površinski sloj. U teoriji, svi elementi u periodnom sistemu mogu se koristiti za ionsku implantaciju [1−7].
Energetski ioni velike brzine{0}}bombardiraju površinu materijala, proizvodeći kaskadne sudare i nasilno ulazeći u materijal supstrata do određene dubine. Dubina implantacije ovisi o jonskoj masi, energiji i vrsti ciljanog materijala, općenito u rasponu od nekoliko nanometara do stotina nanometara, pri čemu se proces implantacije završava za približno 10⁻¹² s. Osim povećanja sadržaja upadnih elemenata na površini, ionska implantacija također uvodi mnoge defekte kao što su praznine, dislokacije, klasteri praznina, klasteri dislokacija, međuprostorni atomi i međuprostorni atomski klasteri, koji značajno utječu na performanse implantiranog sloja. U održavanju vakuumskog optičkog sistema, sličan princip sa UV sijalicom od 222 nm može se koristiti i za pomoćnu detekciju površinskih defekata.
4. Vrste procesa ionske implantacije [1,2]
(1) Kontinuirana implantacija: Tokom kontinuirane implantacije, joni se ubrzavaju do 20-500 keV energije i kontinuirano se implantiraju u površinu materijala, proizvodeći veliki broj kristalnih defekata na površini, značajno poboljšavajući otpornost na koroziju i otpornost na habanje. Energija jonskog snopa je općenito oko 60 keV, a učinak je dodatno pojačan impulsnim napajanjem. (2) Implantacija povratnog udara: Implantacija povratnog udara uključuje prvo nanošenje tankog filma novog materijala B na površinu supstrata izratka A, zatim korištenje - snopa jona plina visoke energije (kao što je Ar⁺ ili N⁺) da se atomi materijala B udare u rešetku supstrata, formirajući novi sloj pomiješanih svojstava površine A+B. Implantacija povratnog udara zahtijeva veću energiju jonskog snopa, koja doseže iznad 150 keV. (3) miješanje jonskih zraka [1]
Miješanje jonskim snopom: prethodno-naizmjenično odložite potrebne elemente na podlogu kako biste formirali višeslojni tanki film (debljina svakog sloja od nekoliko nanometara do desetina nanometara), zatim bombardirajte film energetskim ionima da eliminišete višeslojne interfejse, pretvarajući ga u jednoliku atomsku-nivou miješanja, čime se sve formira nova površina na podlozi. Miješanje jonskog snopa može se izvesti između dvoslojnih-medija ili višeslojnih metalnih filmova: Na primjer: miješanje između metalne folije i podloge; u integrisanim kolima, omički kontakti s plitkim spojem koriste ovaj jednoslojni -slojni metalni- oblik za miješanje. Nakon miješanja ionskog snopa, silicid se formira na interfejsu, smanjujući otpor omskog kontakta.
Višeslojno miješanje ionskog snopa metalnog filma: miješanje jonskog snopa u višeslojnim filmovima pripremljenim od dvoslojnih-slojnih metalnih sistema je miješanje višeslojnog filma jonskim snopom, koje se koristi za proučavanje faznih transformacija legure dva metala. Podloga može biti metalna, keramička ili izolatorska.
Tehnologija dinamičkog miješanja: Taloženje i implantacija se dešavaju istovremeno, opšte poznata kao tehnologija taloženja poboljšane ionskim snopom. U zavisnosti od energije, energetski joni se dijele na ione visoke{1}}energije (MeV reda) i nisko{2}}jone (ispod keV reda). Visokoenergetski snopovi jona zahtijevaju akceleratore jona i lako uzrokuju brojne defekte u površinskom sloju supstrata, lako odbacujući mnoge deponirane atome i značajno smanjujući stopu taloženja. Niskoenergetski snopovi jona{6}}imaju bolje površinske efekte, tako da poboljšano taloženje ionskim snopom obično koristi niskoenergetsko bombardiranje snopom jona. Energetsko bombardovanje ionskim snopom površine filma izaziva mnoge fizičko-hemijske efekte koji odlučujuće utiču na strukturu i organizaciju filma. U određenim vakuumskim ultraljubičastim aplikacijama, 172 nm svjetlost može poslužiti kao pomoćni izvor svjetlosti za poboljšanje čistoće površine tokom dinamičkog miješanja.
Slika 9-2 Proces miješanja jonskih zraka: a) Naneseni sloj filma b) Implantacija jona c) Miješanje jonskog snopa ○- Atomi supstrata ●- Atomi sloja filma ●- Joni
5. Prednosti tehnologije ionske implantacije
Ukratko, prednosti implantacije jona sa energijom od 20-500 keV u materijalne površine mogu se sažeti na sljedeći način:
Proces ionske implantacije ima metalurške efekte jona, pri čemu sastav implantiranog sloja nije ograničen termodinamičkom ravnotežom.
Kontrola implantirane doze jona kako bi se postigla željena svojstva površine.
Minimalni porast temperature podloge tokom implantacije.
Nema promjena u dimenzijama obratka ili hrapavosti površine tokom implantacije.
Implantirani elementi su ukopani u implantirani sloj, tako da se sloj modifikacije površine ne ljušti kao premazi.
Implantirani ioni mogu prodrijeti u postojeće površinske premaze, slojeve oksidne barijere ili slojeve termalne barijere.
Ukupne performanse podloge su nepromijenjene.
Implantirani elementi ograničeni su na površinski sloj, postižući isti efekat kao legiranje rasutih materijala uz uštedu skupih materijala i strateških resursa samo kroz modifikaciju površine.
Tehnologija ionske implantacije široko se primjenjuje u svemirskoj, mehaničkoj proizvodnji, biomedicini, elektronskoj industriji i drugim poljima kako bi se poboljšala otpornost materijala na habanje, otpornost na koroziju, otpornost na oksidaciju, otpornost na zamor i posebna svojstva (kao što su superprovodljivost, magnetski optički materijali). U metalurškim istraživanjima, ionska implantacija koristi svoje prednosti atomske metalurgije za proučavanje procesa fazne transformacije, sintetiziranje novih faza i istraživanje metalurške uloge različitih elemenata u keramičkim materijalima, supertvrdim materijalima itd.
9.2.3 Taloženje raspršivanjem jonskim snopom i jetkanje ionskim snopom
Jonski snopovi srednje{0}}ene energije sa energijom od 500–1000 eV uglavnom se koriste za taloženje raspršivanjem jonskim snopom i jetkanje ionskim snopom [1−5].
1. Taloženje raspršivanjem jonskih zraka
Jonski snopovi srednje{0}}ene energije bombarduju površinu materijala; energija jona sprječava ulazak u rešetku materijala, ali prenosi energiju ciljnim atomima, uzrokujući raspršivanje gdje oni odlijeću s površine i talože se na radni komad i formiraju tanke filmove. Budući da je raspršivanje inducirano snopovima jona, atomi raspršenog filma imaju visoku energiju, a pod visokim vakuumom uz bombardiranje mete jonskim snopom, čistoća filma je visoka, što omogućava taloženje visoko-filmova sa poboljšanom stabilnošću, postižući bolja optička i mehanička svojstva. U optičkoj pripremi tankog filma, ovaj proces se često kombinuje sa UV sijalicom od 222 nm za in-situ čišćenje u vakuumskoj komori, osiguravajući visoku čistoću tokom raspršivanja. Svrha raspršivanja ionskim snopom je formiranje novih tankoslojnih materijala.
2. Jetkanje ionskim snopom
Jetkanje jonskim snopom također koristi snopove jona srednje{0}}e energije za bombardiranje površine materijala za raspršivanje, proizvodeći jetkanje na podlozi; to je osnovna tehnologija za oblikovanje uzoraka u poluvodičkim uređajima, optoelektronskim uređajima i drugim poljima. U pripremi čipa poluprovodničkog integrisanog kola, milioni tranzistora su proizvedeni na jednoj -kristalnoj silikonskoj pločici prečnika Φ12 in (Φ304,8 mm). Svaki tranzistor je izgrađen od više slojeva filmova s različitim funkcijama, uključujući aktivne slojeve, izolacijske slojeve, izolacijske slojeve, vodljive slojeve, itd. Svaki funkcionalni sloj ima svoj vlastiti uzorak, tako da nakon nanošenja svakog funkcionalnog tankog filma, jetkanjem ionskim snopom uklanjaju se beskorisni dijelovi, zadržavajući korisne komponente filma. Trenutne širine žice čipa dosežu 7 nm, što zahtijeva jetkanje ionskim snopom za tako fine uzorke. U poređenju sa početnim mokrim jetkanjem, graviranje ionskim snopom je suho nagrizanje sa visokom preciznošću. U vakuumskoj ultraljubičastoj obradi optičkih uređaja, 172 nm svjetlost se ponekad koristi za pomoćnu predtretman površine prije jetkanja.
Tehnologija jetkanja ionskim snopom uključuje ne-nagrizanje ionskim snopom i jetkanje reaktivnim ionskim snopom. Prvi koristi snopove jona argona za fizičku reakciju jetkanja; potonji koristi snopove jona fluora za raspršivanje, pri čemu pored visoko-energetskog raspršivanja, snopovi jona fluora hemijski reaguju sa ugraviranim filmovima kao što su SiO₂, Si₃N₄, GaAs, W, itd., uključujući fizičke i hemijske procese za brže jetkanje. Reaktivno jetkanje koristi korozivne gasove kao što su CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃, proizvodeći nusproizvode SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆, koji su korozivni gasovi koji se izbacuju. Tehnologija jetkanja jonskim snopom je neophodna za proizvodnju visokotehnoloških proizvoda.
