Лучевые методы обработки материалов

Ионно-лучевая обработка материалов

Ионно-лучевая технология - это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками ионов, в результате воздействия которых изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий.

Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования и относительную сложность его обслуживания

, все больше новейшего оборудования ионно-лучевой технологии появляется в цехах и лабораториях современных производств.

Ионное легирование

Ионное, легирование материалов, или другими словами, ионное внедрение и ионная имплантация. в настоящее время становится основным технологическим процессом из применяемых для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов.

Метод ионного легирования основан на контролируемом внедрении в материал (твердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул.

Особенно перспективным метод ионного легирования оказался для полупроводниковой электроники. Этот метод обладает преимуществами: универсальность, т.е. возможность введения любой примеси в любой материал; локальность воздействия; отсутствие нагрева подложки; возможность строгого дозирования примесей; простота управления; высокая чистота вводимых примесей и т.д.

Рис. 4.1 - Структурная схема установки для ионно-лучевого легирования: 1 - система напуска рабочего вещества; 2 - источник ионов; 3 - система формирования ионного луча; 4 - ионопровод; 5 - сепаратор ионов; 6 -система откачки; 7 - камера с образцами; 8 -11 - системы откачки; 12 - блок питания ионного источника; 13 - блок вытягивающего и фокусирующего напряжения; 14 - блок питания сепаратора ионов; 15 - блок контроля дозы облучения

Оборудование для ионного легирования поверхностных слоев материалов ионами определенного выбранного вида представляет собой специальные технологические ускорители. Диапазон энергий, в пределах которого обычно ускоряются ионы, распространяется от 20 до 450 кЭв, хотя перспективны и установки с энергиями до 0,6 .I МэВ. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов (рис. 4.1).

Требования к лабораторным и производственным установкам несколько различны. Для выполнения исследований возникает необходимость в частых изменениях типов ионов и их энергии. Эксплуатация же установок в производстве обычно осуществляется с применением определенного рабочего режима на каком-то одном выбранном типе ионов.

Все типы установок по системам ускорения ионов условно можно разделить на три группы: с ускорением до сепаратора и (или) после сепаратора. При выборе типа установки существенна величина дозы легируемой примеси, и по этому признаку установки также разделяют на три типа: малых и средних доз, больших доз с интенсивными ионными токами, высокоэнергетические.

Одним из основных узлов любого технологического ускорителя является ионный источник. По принципу действия и протекающим в них физическим процессам эти источники подразделяются на источники с разрядом Пеннинга, высокочастотные, с контрагированным плазменным разрядом (дуоплазматроны), дуговые. Последние нашли наибольшее применение в установках со значительным током пучка ионов. К эксплуатационным характеристикам ионных источников относятся: сила тока пучка в стационарном режиме; возможность работы с исходными рабочими веществами, в состоянии поставки (газ, жидкость, твердое тело); коэффициент использования рабочего вещества; возможность управления энергией ионов на выходе изисточника при малых изменениях силы тока; экономичность, т.е. отношение силы ионного тока на выходе из источника к подводимой к нему мощности; долговечность; простота конструкции, позволяющая быстро заменить его элементы при разрушении.

Ионно-лучевые методы осаждения покрытий и ионная литография

Тонкие и толстые пленки и покрытия с воспроизводимыми и заранее заданными свойствами можно получать в условиях высокого вакуума осаждением из сепарированных ионных пучков. Этот метод успешно осваивается в настоящее время промышленностью.

Осаждение тонких пленок из сепарированных ионных пучков - самый “чистый” способ, хотя его производительность и невелика. Для микро- и оптоэлектроники, функциональной электроники возможность получения строго контролируемых по составу, практически беспримесных, однородных по структуре тонких пленок открывает новые перспективы создания устройств с уникальными эксплуатационными характеристиками.

Данный метод заключается в создании потока ионов определенного вида и энергии и осаждении их на выбранной подложке. Осаждение производится в сверхвысоковакуумной камере, поэтому в пленках отсутствуют включения атомов инертных газов, свойственные плазменным методам. Сепарация ионов по отношениям их массы к заряду исключает из состава ионов пучка посторонние примеси, в том числе ионы материалов электродов ионного источника. Чтобы исключить распыление наносимой пленки и обеспечить оптимальные условия ее роста, необходимо вести осаждение при относительно малых энергиях ионов. Регулируя энергию ионного потока, можно эффективно управлять процессом роста и качеством пленки.

Однако этому методу присущи и недостатки. Так, продолжительность осаждения пленок заметно превышает время всех других известных процессов нанесения покрытий. Сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость в обеспечении сверхвысокого вакуума в рабочей камере - все это ограничивает применение метода.

Ионная литография. Развитие микроэлектроники требует разработки методов формирования элементов интегральных схем с размерами меньше одного миллиметра. Такие методы являются основой нового направления "субмикронной технологии", т. е. технологии создания устройств с высокой плотностью элементов, имеющих размеры до 0,1 мкм. Процесс формирования рисунка в слое резиста с помощью ионных пучков получил название - ионная литография.

Как известно, благодаря большой массе быстрые ионы при движении в пленке резиста рассеиваются на значительно меньший угол, чем электроны. Если длину пробега ионов выбрать примерно равной толщине плёнки резиста, рассеяние ионов границей между резистом и подложкой будет пренебрежимо мало и откроются возможности получения экспонированных объектов с субмикронными размерами.

На пути практической реализации принципов ионной литографии встречаются серьёзные трудности, связанные с созданием источников тяжелых ионов с высокой яркостью, а также быстродействующей системы управления и формирования ионного пучка.

Список используемой литературы

1. Беленький В.Я., Язовских В.М. «Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов». Пермь, 1995.

2. Дальский А.М., Барсукова Т.М., Бухаркин Л.Н. «Технология конструкционных материалов». М: «Машиностроение», 2002.

 Скачать реферат