Fascio di particelle cariche con lampada UV da 172 nm e 222 nm
I fasci di particelle cariche sono divisi in fasci di ioni e fasci di elettroni ad arco
1) I fasci ionici includono quelli prodotti dalla scarica da sorgente gassosa e quelli prodotti dalla scarica da sorgente solida
2) I fasci di elettroni ad arco includono quelli prodotti dalla scarica da sorgente gassosa e quelli prodotti dalla scarica da sorgente solida
9.2 Raggi ionici
9.2.1 Energia ed effetti dei fasci ionici
1. Classificazione degli intervalli energetici dei fasci ionici
L'energia dei fasci ionici si ottiene tramite l'accelerazione in un campo elettrico ad alta-tensione. Gli intervalli di energia (E) sono i seguenti: 1) Fascio ionico ad alta-energia, E=20–100 keV, utilizzato per l'impianto del fascio ionico e la miscelazione del fascio ionico. 2) Fascio ionico a media-energia, E=500–1000 eV, utilizzato per la deposizione sputtering del fascio ionico, l'incisione del fascio ionico e la pulizia pre-bombardamento prima rivestimento. 3) Fascio ionico a bassa-energia, E inferiore o uguale a 500 eV, utilizzato per la deposizione assistita durante il rivestimento. In alcune applicazioni di rivestimento ottico e disinfezione delle superfici, i processi assistiti da fasci ionici a bassa-energia possono anche essere combinati con una lampadina UV da 222 nm per migliorare ulteriormente la pulizia della superficie e l'adesione della pellicola.
2. Effetti dei fasci ionici sulle superfici dei materiali
I fasci ionici di energie diverse producono effetti diversi sulle superfici dei materiali [1−6]. (1) Impianto di fasci ionici: l'impianto diretto di fasci ionici ad alta-energia nella superficie del materiale può produrre nuovi materiali con leghe non-in equilibrio, soluzioni solide supersature, leghe e composti metastabili, superfici amorfe e altre strutture organizzative difficili da ottenere con metodi metallurgici convenzionali; consente inoltre l'impianto del rinculo del fascio ionico e la miscelazione del fascio ionico. (2) Sputtering di fasci ionici: utilizzo di fasci ionici ad alta-energia per spruzzare il materiale target per ottenere pellicole ad alta-purezza. (3) Incisione con fascio ionico: utilizzo di fasci ionici ad alta-energia per eliminare il materiale in eccesso sul substrato, ottenendo così modelli composti dai materiali richiesti; si tratta di una tecnologia chiave per l'incisione dei circuiti stampati nei settori dei semiconduttori e dell'optoelettronica. (4) Deposizione assistita potenziata da fasci ionici: durante il processo di rivestimento, fasci ionici ad alta-energia bombardano simultaneamente il pezzo, ovvero rivestendo su un lato e bombardando sull'altro. Il fascio ionico fornisce energia alle particelle depositate, eseguendo una deposizione migliorata assistita dal fascio ionico, che può produrre rivestimenti composti conformi ai rapporti stechiometrici e migliorare la struttura del film. Nel rivestimento di componenti ottici di precisione, questa tecnologia viene talvolta combinata con la luce da 172 nm per l'attivazione della superficie in-situ per migliorare la qualità della pellicola.
Durante l'interazione tra fasci ionici e superfici materiali, esistono tutti questi fenomeni, ma un fenomeno particolare domina in diversi intervalli di energia.
9.2.2 Impianto di ioni
L'impianto ionico è un metodo importante per la modifica superficiale dei materiali utilizzando fasci ionici ad alta-energia.
1. Tipi di impianto di ioni
Dal punto di vista del processo, l'impianto ionico può essere suddiviso in: impianto ionico gas, impianto ionico metallo, impianto ionico tutte le-direzionali, impianto di rinculo del fascio ionico e miscelazione del fascio ionico [1−7].
2. Macchina per l'impianto ionico
La Figura 9-1 mostra la struttura di una macchina industriale per l'impianto ionico. Questa è una macchina per l'impianto ionico selettivo della massa [1].
Struttura della macchina per l'impianto ionico
1- Filamento catodico 2- Anodo 3- Ingresso gas 4- Bobina elettromagnetica 5- Sorgente ionica 6- Camera di uscita 7- Separatore ionico 8- Tubo di accelerazione 9- Sistema di deflessione ionica 10- Pezzo in lavorazione 11- Piano di lavoro 12- Camera target di impianto 13- Alimentazione 14- Schermo protettivo 15- Area ad alta tensione 16- Console di controllo 17- Osservazione finestra 18- Sistema di aspirazione
(1) Ottenimento di ioni ad alta-energia: il sistema della sorgente di impianto ionico introduce gas o vapore metallico nella camera di ionizzazione per ionizzarlo in ioni positivi, quindi accelera gli ioni positivi per fornire loro un'elevata velocità per l'impianto nei solidi. (2) Composizione della macchina per l'impianto ionico: La macchina per l'impianto ionico comprende una sorgente ionica, un sistema di analisi di massa, un sistema di accelerazione e un sistema di scansione della deflessione. 1) Sorgente ionica: La sorgente ionica è il componente più critico nel sistema del fascio ionico. Il suo ruolo è ionizzare gli atomi dell'elemento da impiantare negli ioni. Per gli ioni gassosi (come N⁺, Ar⁺, H⁺), il gas viene introdotto direttamente nella camera di scarica; per gli ioni metallici, il metallo viene riscaldato ed evaporato, quindi gli atomi di vapore metallico vengono introdotti nella camera di scarica per la ionizzazione per ottenere ioni metallici, che vengono poi estratti dalla camera di scarica per formare un fascio ionico con energia di 20–500 keV. 2) Sistema di analisi di massa: il fascio ionico estratto dalla sorgente ionica include ioni di diversi, o anche dozzine di, elementi. In genere, per l'impianto sono necessari solo gli ioni di un elemento, a seconda dell'applicazione. Il separatore ionico è il sistema di analisi della massa ionica, che separa gli ioni richiesti dai fasci ionici multipli, dirigendoli verso la superficie del pezzo deviando al tempo stesso gli ioni indesiderati. Viene generalmente utilizzato un campo magnetico di deflessione, che guida gli ioni selezionati lungo il canale di deflessione nella camera target dove viene posizionato il pezzo per l'impianto. Dopo questa analisi di massa, gli altri ioni vengono filtrati. 3) Sistema di accelerazione: gli ioni vengono accelerati sotto l'azione del campo elettrico per ottenere elevata energia, solitamente utilizzando un sistema di estrazione a tre-stadi, con l'energia ionica accelerata che raggiunge fino a 20–500 keV. 4) Sistema di scansione: gli ioni ad alta-energia con energia di 20–100 keV vengono diretti a forma di "raggio" direttamente sul pezzo in lavorazione superficie, con un piccolo raggio d'azione sulla superficie. Esistono due metodi per garantire l'uniformità dell'impianto di ioni ad alta-energia: uno è ruotare il pezzo in lavorazione; l'altro è regolare il campo elettromagnetico per la scansione, consentendo al fascio ionico di scansionare ripetutamente e uniformemente il campione, ampliando l'intervallo di modifica sulla superficie di lavoro del materiale.
3. Principio dell'impianto ionico
L'impianto ionico è il processo di ionizzazione degli atomi di elementi pre-selezionati in ioni, accelerandoli tramite un campo elettrico per ottenere un'energia di 20–500 keV e quindi introducendoli nello strato superficiale solido. In teoria, tutti gli elementi della tavola periodica possono essere utilizzati per l'impianto ionico [1−7].
Ioni energetici ad alta velocità- bombardano la superficie del materiale, producendo collisioni a cascata ed entrando con la forza nel materiale del substrato fino a una certa profondità. La profondità di impianto dipende dalla massa ionica, dall'energia e dal tipo di materiale target, generalmente da pochi nanometri a centinaia di nanometri, con il processo di impianto che si completa in circa 10⁻¹² s. Oltre ad aumentare il contenuto di elementi incidenti sulla superficie, l'impianto ionico introduce anche molti difetti come posti vacanti, dislocazioni, cluster di posti vacanti, cluster di dislocazioni, atomi interstiziali e cluster di atomi interstiziali, influenzando significativamente le prestazioni dello strato impiantato. Nella manutenzione del sistema ottico sotto vuoto, un principio simile con una lampadina UV da 222 nm può essere utilizzato anche per il rilevamento ausiliario di difetti superficiali.
4. Tipi di processi di impianto ionico [1,2]
(1) Impianto continuo: durante l'impianto continuo, gli ioni vengono accelerati a un'energia di 20–500 keV e impiantati continuamente nella superficie del materiale, producendo un gran numero di difetti cristallini sulla superficie, migliorando significativamente la resistenza alla corrosione e all'usura. L'energia del fascio ionico è generalmente di circa 60 keV e l'effetto è ulteriormente migliorato con l'alimentazione a impulsi. (2) Impianto a rinculo: l'impianto a rinculo prevede innanzitutto il deposito di una pellicola sottile di nuovo materiale B sulla superficie del substrato A del pezzo in lavorazione, quindi l'utilizzo di un fascio ionico di gas ad alta-energia (come Ar⁺ o N⁺) per far cadere gli atomi del materiale B nel reticolo del substrato, formando uno strato misto A+B con nuove proprietà superficiali. L'impianto di rinculo richiede un'energia del fascio ionico più elevata, che raggiunge oltre 150 keV. (3) Miscelazione del fascio ionico [1]
Miscelazione del fascio ionico: pre-depositare gli elementi richiesti alternativamente sul substrato per formare un film sottile multistrato (lo spessore di ogni strato va da pochi nanometri a decine di nanometri), quindi bombardare il film con ioni energetici per eliminare le interfacce multistrato, trasformandolo in una miscelazione uniforme a livello atomico-, formando così una nuova lega sulla superficie del substrato. La miscelazione del fascio ionico può essere eseguita tra supporti a doppio-strato o pellicole metalliche multistrato: ad esempio: miscelazione tra pellicola metallica e substrato; nei circuiti integrati, i contatti ohmici a giunzione superficiale utilizzano questa forma di miscelazione del substrato-metallico a strato singolo-. Dopo la miscelazione del fascio ionico, si forma siliciuro sull'interfaccia, riducendo la resistenza del contatto ohmico.
Miscelazione del fascio ionico di film metallici multistrato: la miscelazione dei fasci ionici nei film multistrato preparati da sistemi metallici a doppio-strato è una miscelazione del fascio ionico di film multistrato, utilizzata per studiare le trasformazioni di fase della lega di due metalli. Il substrato può essere metallico, ceramico o isolante.
Tecnologia di miscelazione dinamica: la deposizione e l'impianto avvengono simultaneamente, comunemente nota come tecnologia di deposizione potenziata con fascio ionico. A seconda dell'energia, gli ioni energetici sono suddivisi in ioni ad alta-energia (ordine MeV) e ioni a bassa-energia (ordine inferiore a KeV). I fasci ionici ad alta-energia richiedono acceleratori ionici e causano facilmente numerosi difetti nello strato superficiale del substrato, eliminando facilmente molti atomi depositati e riducendo notevolmente la velocità di deposizione. I fasci ionici a bassa-energia hanno effetti superficiali migliori, quindi la deposizione potenziata del fascio ionico utilizza in genere il bombardamento con fasci ionici a bassa-energia. Il bombardamento energetico con fasci ionici della superficie della pellicola induce numerosi effetti fisico-chimici che influenzano in modo decisivo la struttura e l'organizzazione della pellicola. In alcune applicazioni ultraviolette sotto vuoto, la luce da 172 nm può fungere da sorgente luminosa ausiliaria per migliorare la pulizia della superficie durante la miscelazione dinamica.
Figura 9-2 Processo di miscelazione del fascio ionico: a) Strato di pellicola depositato b) Impianto di ioni c) Miscelazione del fascio ionico ○- Atomi del substrato ●- Atomi dello strato di pellicola ●- Ioni
5. Vantaggi della tecnologia di impianto ionico
In sintesi, i vantaggi dell’impianto di ioni con energia pari a 20–500 keV nelle superfici dei materiali possono essere riassunti come segue:
Il processo di impiantazione ionica ha effetti metallurgici ionici, con la composizione dello strato impiantato non limitata dall'equilibrio termodinamico.
Controllo della dose di ioni impiantati per ottenere le proprietà superficiali desiderate.
Aumento minimo della temperatura del substrato durante l'impianto.
Nessun cambiamento nelle dimensioni del pezzo o nella ruvidità della superficie durante l'impianto.
Gli elementi impiantati sono sepolti nello strato impiantato, quindi lo strato di modifica superficiale non si stacca come i rivestimenti.
Gli ioni impiantati possono penetrare nei rivestimenti superficiali esistenti, negli strati barriera all'ossido o negli strati barriera termica.
Le prestazioni complessive del substrato non sono influenzate.
Elementi impiantati limitati allo strato superficiale, ottenendo lo stesso effetto della lega di materiale sfuso risparmiando materiali costosi e risorse strategiche solo attraverso la modifica della superficie.
La tecnologia di impianto ionico è ampiamente applicata nel settore aerospaziale, nella produzione meccanica, nella biomedicina, nell'industria elettronica e in altri campi per migliorare la resistenza all'usura dei materiali, alla corrosione, all'ossidazione, alla fatica e proprietà speciali (come superconduttività, materiali ottici magnetici). Nella ricerca metallurgica, l'impianto ionico sfrutta i vantaggi della metallurgia atomica per studiare i processi di trasformazione di fase, sintetizzare nuove fasi e studiare i ruoli metallurgici di vari elementi nei materiali ceramici, nei materiali superduri, ecc.
9.2.3 Deposizione mediante sputtering con fascio ionico e attacco con fascio ionico
I fasci ionici a media-energia con energia di 500–1000 eV vengono utilizzati principalmente per la deposizione sputtering e l'attacco con fascio ionico [1−5].
1. Deposizione mediante sputtering con fascio ionico
I fasci ionici a media-energia bombardano la superficie del materiale; l'energia ionica impedisce l'ingresso nel reticolo del materiale ma trasferisce energia agli atomi bersaglio, provocando lo sputtering dove volano via dalla superficie e si depositano sul pezzo in lavorazione per formare pellicole sottili. Poiché lo sputtering è indotto da fasci ionici, gli atomi della pellicola spruzzata hanno un'energia elevata e, sotto vuoto spinto con bombardamento del bersaglio con fasci ionici, la purezza della pellicola è elevata, consentendo la deposizione di pellicole di alta-qualità con stabilità migliorata, ottenendo migliori proprietà ottiche e meccaniche. Nella preparazione ottica della pellicola sottile, questo processo è spesso combinato con una lampada UV da 222 nm per la pulizia in-situ nella camera a vuoto, garantendo un'elevata purezza durante lo sputtering. Lo scopo dello sputtering del fascio ionico è quello di formare nuovi materiali a film sottile.
2. Incisione con fascio ionico
L'attacco con fascio ionico utilizza anche fasci ionici a media-energia per bombardare la superficie del materiale per lo sputtering, producendo incisione sul substrato; è una tecnologia fondamentale per la creazione di modelli in dispositivi a semiconduttore, dispositivi optoelettronici e altri campi. Nella preparazione dei chip dei circuiti integrati semiconduttori, milioni di transistor vengono fabbricati su un wafer di silicio a cristallo singolo con diametro di Φ12 pollici (Φ304,8 mm). Ogni transistor è costituito da più strati di film con funzioni diverse, inclusi strati attivi, strati isolanti, strati isolanti, strati conduttivi, ecc. Ogni strato funzionale ha il proprio modello, quindi dopo aver depositato ogni film sottile funzionale, l'incisione con fascio ionico rimuove le parti inutili, conservando i componenti utili della pellicola. Le attuali larghezze dei fili dei chip raggiungono i 7 nm, richiedendo l'incisione con fascio ionico per modelli così fini. Rispetto all'incisione iniziale a umido, l'incisione a fascio ionico è un'incisione a secco con elevata precisione. Nella lavorazione dei dispositivi ottici ultravioletti sotto vuoto, la luce da 172 nm viene talvolta utilizzata per il pretrattamento superficiale ausiliario prima dell'attacco.
La tecnologia di incisione con fascio ionico comprende l'incisione con fascio ionico non-reattivo e l'incisione con fascio ionico reattivo. Il primo utilizza fasci di ioni argon per l'attacco fisico della reazione; quest'ultimo utilizza fasci di ioni di fluoro per lo sputtering, dove oltre allo sputtering ad alta-energia, i fasci di ioni di fluoro reagiscono chimicamente con film incisi come SiO₂, Si₃N₄, GaAs, W, ecc., coinvolgendo processi sia fisici che chimici per velocità di attacco più elevate. L'attacco reattivo utilizza gas corrosivi come CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃, producendo sottoprodotti SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆, che sono gas corrosivi espulsi. La tecnologia di incisione a fascio ionico è essenziale per la produzione di prodotti ad alta-tecnologia.
