Технологические процессы, использующие потоки ионов

Конструирование мощных источников заряженных частиц является актуальной физико-технической задачей. Одним из наиболее перспективных методов получения ионного пучка можно считать вытягивание его ускоряющим электрическим полем из холодной плазмы. При этом граница плазмы, которую приближённо можно считать резкой, служит эмиттером ионов. Ускоряющее электрическое поле создаётся системой электродов и искажается собственным полем пространственного заряда пучка, которое для мощных пучков может быть достаточно сильным. Суммарное электрическое поле, в свою очередь, определяет форму эмиттера и, как следствие, форму пучка. Для их нахождения необходимо решить самосогласованную задачу. Ограничиваясь рамками стационарного режима, можно допустить, что на эмиттере приближенно выполняется условие равенства нулю нормальной составляющей электрического поля.

В универсальных технологических системах можно проводить многие операции: очистки, ионно-пучкового травления и ионно-лучевого нанесения. В полупроводниковой микроэлектронике широко применяются технологии ионной имплантации и реактивного ионно-лучевого травления.

Среди областей применения ионно-лучевых технологий можно выделить:

• · микрои наноэлектроника — травление материалов в производстве транзисторов
• · оптика — полировка поверхностей, травление элементов безаберрационной дифракционной оптики
• · лазерная техника — травление материалов для твердотельных лазеров
• · машиностроение — нанесение коррозийнностойких и фрикционностойких пленочных покрытий
• · медицина — нанесение защитных и упрочняющих пленочных покрытий.

Ионное распыление.

Ионно-лучевое распыление представляет собой процесс нанесения материалов в вакууме (10−3…10−2 Па), при котором поток осаждаемых частиц получают в результате бомбардировки поверхности исходного напыляемого материала ускоренными ионами.

Для бомбардировки используются, как правило, ионы инертного газа, которые подаются к распыляемому материалу в виде концентрированного потока с энергией 1−10 кэВ. Источником ионов служит либо самостоятельный тлеющий разряд, либо плазма несамостоятельного разряда. Вытягивание пучка и ускорение ионов до требуемой энергии происходит в специальной ионно-оптической системе.

Схема процесса ионного распыления показана на Рис. 1.5.

Рисунок 1.5. Процесс распыления мишени. 1 — ионный источник; 2 — мишень; 3 — атомы, выбитые из мишени С количественной стороны процесс распыления характеризуется выходом или коэффициентом ионного распыления Y.

По некоторым данным при сравнительно невысоких энергиях ионов (порядка 500…600 эВ) коэффициент распыления ионами тяжелых инертных газов Ar+, Xe+ большинства металлов близок или равен 1. Это позволяет реализовывать достаточно эффективные режимы распыления мишени.

Коэффициент катодного распыления Y зависит от энергии, массы и заряда падающего иона, угла его падения на поверхность, энергии связи атомов мишени, кристаллического строения, загрязненности поверхности, ее шероховатости и пористости.

Процесс распыления наблюдается, когда значение энергии падающего иона Е0 больше некоторой пороговой энергии Епор, которая зависит от масс иона и атома и энергии связи атома с поверхностью Есв.

Значения Епор лежат в диапазоне 10 … 30 эВ. С увеличением энергии Y возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается (рис. 1.6).

Рисунок 1.6. Зависимость Y от энергии ионов На значение коэффициента распыления очень сильно влияет угол падения иона на поверхность. При возрастании угла падения иона и от 0 до 60 … 750 наблюдается рост Y, который в первом приближении можно оценить как Y (и) = Y (0)cosfи, где Y (0) — коэффициент распыления при нормальном падении иона; f — показатель степени, для M2/M1? 0.1…10, f = 1.7…1.

Максимальные значения Y (иmax) могут быть в 3−6 раз больше, чем при нормальном падении ионов. При углах падения и > иmax ионы начинают упруго отражаться, что приводит к резкому снижению Y (рис. 1.7).

Рисунок 1.7. Зависимость Y от угла падения ионов Нанесение покрытий.

Тонкие пленки различных материалов можно наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионов инертных газов.

Метод заключается в распылении мишени направленным ионным пучком и последующем осаждении распыленных частиц на подложке. Особенностью метода является возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы (пластики, фоторезисты), так как процесс нанесения характеризуется низкими температурами. Ионно-лучевое нанесение покрытий отличается высокой стабильностью скорости процесса, достаточно низкими давлениями по сравнению с другими вакуумными методами, что способствует повышению чистоты получаемых пленок.

Применение:

• · формирование слоев металлов (Au, Pt, Сu, Si, Ni, Al, Cr) и сплавов (CoCrPt);
• · формирование пленок оксидов (Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2);
• · формирование алмазоподобных углеродных пленок.

Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнению с методом ионно-плазменного распыления состоят в следующем:

• · возможность нанесения пленок материалов сложного состава с сохранением компонентного состава мишени;
• · малое рабочее давление в технологической камере, ограниченное лишь быстротой откачки вакуумной системы, а не условиями поддержания разряда;
• · отсутствие электрических полей в области подложки, что особенно важно при нанесении диэлектрических пленок на подложки из проводящих материалов;
• · возможность управления зарядами в осаждаемой диэлектрической пленке с помощью электронов, эмиттируемых катодом нейтрализации.

Ионно-лучевой метод наиболее эффективен для нанесения пленок многокомпонентных материалов, различных диэлектриков, магнитных материалов.

Плазменная очистка поверхности.

Плазменная очистка поверхности используется для предварительной подготовки материалов в цикле изготовления полупроводниковых приборов и в других областях производства. Процесс очистки происходит под действием ионной бомбардировки и за счет окисления органических загрязнений до легколетучих и газообразных продуктов, которые впоследствии откачиваются из реакционной зоны вакуумной системой. В результате обработки поверхность приобретает высокую адгезионную способность, что особенно важно для последующего нанесения покрытий.

Применение:

• · Предварительная обработка перед нанесением фоторезиста, металлических, диэлектрических покрытий.
• · Предварительная обработка перед микросваркой, пайкой или склеиванием.
• · Предварительная обработка металлических изделий перед нанесением полимерных покрытий.
• · Удаление жиров, масел, окислов и силиконов.