Chùm hạt tích điện bằng đèn UV 172 nm & 222 nm
Chùm hạt tích điện được chia thành chùm ion và chùm electron hồ quang
1) Chùm ion bao gồm chùm tia sinh ra do phóng điện nguồn khí và chùm ion sinh ra do phóng điện nguồn rắn
2) Chùm tia điện tử hồ quang bao gồm chùm tia sinh ra do phóng điện nguồn khí và chùm tia sinh ra do phóng điện nguồn rắn
9.2 Chùm ion
9.2.1 Năng lượng và ảnh hưởng của chùm ion
1. Phân loại dải năng lượng chùm ion
Năng lượng của chùm ion thu được thông qua gia tốc trong điện trường{0}}cao áp. Phạm vi năng lượng (E) như sau: 1) Chùm ion năng lượng-cao, E=20–100 keV, dùng để cấy chùm ion và trộn chùm ion. 2) Chùm ion năng lượng-trung bình, E=500–1000 eV, dùng để lắng đọng phún xạ chùm ion, khắc tia ion và làm sạch trước{10}}bắn phá trước khi phủ{11}}) Chùm tia ion năng lượng thấp, E Nhỏ hơn hoặc bằng 500 eV, được sử dụng để hỗ trợ lắng đọng trong quá trình phủ. Trong một số ứng dụng khử trùng bề mặt và lớp phủ quang học nhất định, các quy trình có sự hỗ trợ của chùm ion năng lượng thấp cũng có thể được kết hợp với bóng đèn UV 222 nm để cải thiện hơn nữa độ sạch bề mặt và độ bám dính của màng.
2. Ảnh hưởng của chùm ion lên bề mặt vật liệu
Các chùm ion có năng lượng khác nhau tạo ra các hiệu ứng khác nhau trên bề mặt vật liệu [1−6]. (1) Cấy chùm tia ion: Cấy trực tiếp các chùm ion năng lượng cao-vào bề mặt vật liệu có thể tạo ra vật liệu mới với các hợp kim không-cân bằng, dung dịch rắn siêu bão hòa, hợp kim và hợp chất siêu bền, bề mặt vô định hình và các cấu trúc tổ chức khác khó có được bằng các phương pháp luyện kim thông thường; nó cũng cho phép cấy chùm tia ion và trộn chùm tia ion. (2) phún xạ chùm tia ion: Sử dụng chùm ion năng lượng-cao để phún xạ vật liệu mục tiêu nhằm thu được màng có độ tinh khiết-cao. (3) Khắc bằng chùm tia ion: Sử dụng chùm ion năng lượng cao{12}}để loại bỏ vật liệu dư thừa trên bề mặt, từ đó thu được các mẫu bao gồm các vật liệu cần thiết; đây là công nghệ chủ chốt để khắc bảng mạch trong ngành công nghiệp bán dẫn và quang điện tử. (4) Sự lắng đọng được hỗ trợ tăng cường bằng chùm tia ion: Trong quá trình phủ, các chùm ion năng lượng cao -bắn phá phôi đồng thời, tức là phủ một mặt và bắn phá mặt kia. Chùm ion cung cấp năng lượng cho các hạt lắng đọng, thực hiện quá trình lắng đọng tăng cường được hỗ trợ bởi chùm ion, có thể tạo ra lớp phủ hỗn hợp phù hợp với tỷ lệ cân bằng hóa học và cải thiện cấu trúc màng. Trong lớp phủ thành phần quang học chính xác, công nghệ này đôi khi được kết hợp với ánh sáng 172 nm để kích hoạt bề mặt tại chỗ nhằm nâng cao chất lượng phim.
Trong quá trình tương tác giữa các chùm ion và bề mặt vật chất, tất cả những hiện tượng này đều tồn tại, nhưng có một hiện tượng cụ thể chiếm ưu thế ở các dải năng lượng khác nhau.
9.2.2 Cấy ion
Cấy ion là một phương pháp quan trọng để biến đổi bề mặt nông của vật liệu bằng cách sử dụng chùm ion năng lượng cao.
1. Các hình thức cấy ion
Từ góc độ quá trình, việc cấy ion có thể được chia thành: cấy ion khí, cấy ion kim loại, cấy ion mọi-định hướng, cấy chùm tia ion và trộn chùm ion [1−7].
2. Máy cấy ion
Hình 9-1 thể hiện cấu trúc của máy cấy ion công nghiệp. Đây là máy cấy ion chọn lọc hàng loạt [1].
Cấu Tạo Của Máy Cấy Ion
1- Dây tóc catốt 2- Cực dương 3- Đầu vào khí 4- Cuộn dây điện từ 5- Nguồn ion 6- Buồng đầu ra 7- Bộ tách ion 8- Ống gia tốc 9- Hệ thống làm lệch ion 10- Phôi 11- Bàn làm việc 12- Buồng mục tiêu cấy ghép 13- Nguồn điện 14- Màn hình bảo vệ 15- Khu vực điện áp cao 16- Bảng điều khiển 17- Quan sát cửa sổ 18- Hệ thống chân không
(1) Thu được các ion năng lượng cao-: Hệ thống nguồn cấy ion đưa khí hoặc hơi kim loại vào buồng ion hóa để ion hóa thành các ion dương, sau đó gia tốc các ion dương để chúng có vận tốc cao để cấy vào chất rắn. (2) Cấu tạo của máy cấy ion: Máy cấy ion bao gồm nguồn ion, hệ thống phân tích khối lượng, hệ thống gia tốc và hệ thống quét lệch. 1) Nguồn ion: Nguồn ion là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống chùm ion. Vai trò của nó là ion hóa các nguyên tử của nguyên tố được cấy vào các ion. Đối với các ion khí (như N⁺, Ar⁺, H⁺), khí được đưa trực tiếp vào buồng xả; đối với các ion kim loại, kim loại được nung nóng và bay hơi, sau đó các nguyên tử hơi kim loại được đưa vào buồng phóng điện để ion hóa thu được các ion kim loại, sau đó được tách ra khỏi buồng phóng điện để tạo thành chùm ion có năng lượng 20–500 keV. 2) Hệ thống phân tích khối lượng: Chùm ion tách ra từ nguồn ion bao gồm các ion của một số, thậm chí hàng chục nguyên tố. Thông thường, chỉ cần ion của một nguyên tố để cấy ghép tùy thuộc vào ứng dụng. Máy tách ion là hệ thống phân tích khối lượng ion, giúp tách các ion cần thiết khỏi nhiều chùm ion, hướng chúng về phía bề mặt phôi đồng thời làm chệch hướng các ion không mong muốn. Từ trường lệch thường được sử dụng, dẫn các ion đã chọn dọc theo kênh lệch vào buồng mục tiêu nơi phôi được đặt để cấy ghép. Sau quá trình phân tích khối lượng này, các ion khác sẽ được lọc ra. 3) Hệ thống tăng tốc: Các ion được tăng tốc dưới tác dụng của điện trường để thu được năng lượng cao, thường sử dụng hệ thống chiết ba-giai đoạn, với năng lượng ion được gia tốc đạt tới 20–500 keV. 4) Hệ thống quét: Các ion năng lượng cao{19}}với năng lượng 20–100 keV được hướng theo hình dạng "chùm" thẳng lên bề mặt phôi, với một tia nhỏ phạm vi hoạt động trên bề mặt. Có hai phương pháp để đảm bảo tính đồng nhất của quá trình cấy ion năng lượng cao{23}}: một là xoay phôi; cách khác là điều chỉnh trường điện từ để quét, cho phép chùm ion quét mẫu liên tục và đồng đều, mở rộng phạm vi sửa đổi trên bề mặt làm việc của vật liệu.
3. Nguyên lý cấy ion
Cấy ion là quá trình ion hóa các nguyên tử nguyên tố được chọn trước{0}}thành các ion, tăng tốc chúng thông qua điện trường để thu được năng lượng 20–500 keV, sau đó đưa chúng vào lớp bề mặt rắn. Về lý thuyết, tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn đều có thể được sử dụng để cấy ion [1−7].
Các ion tốc độ cao{0}}có năng lượng cao bắn phá bề mặt vật liệu, tạo ra va chạm theo tầng và buộc vật liệu nền phải đi vào một độ sâu nhất định. Độ sâu cấy ghép phụ thuộc vào khối lượng ion, năng lượng và loại vật liệu mục tiêu, thường dao động từ vài nanomet đến hàng trăm nanomet, với quá trình cấy ghép hoàn thành trong khoảng 10⁻¹² giây. Ngoài việc tăng hàm lượng phần tử sự cố trên bề mặt, việc cấy ion còn gây ra nhiều khiếm khuyết như chỗ trống, sự lệch vị trí, cụm chỗ trống, cụm trật khớp, nguyên tử xen kẽ và cụm nguyên tử xen kẽ, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của lớp cấy ghép. Trong bảo trì hệ thống quang học chân không, nguyên lý tương tự với bóng đèn UV 222 nm cũng có thể được sử dụng để phát hiện phụ trợ các khuyết tật bề mặt.
4. Các loại quy trình cấy ion [1,2]
(1) Cấy liên tục: Trong quá trình cấy liên tục, các ion được tăng tốc lên năng lượng 20–500 keV và liên tục được cấy vào bề mặt vật liệu, tạo ra một số lượng lớn các khuyết tật tinh thể trên bề mặt, cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn. Năng lượng chùm ion thường vào khoảng 60 keV và hiệu ứng này còn được tăng cường hơn nữa khi cung cấp năng lượng xung. (2) Cấy độ giật: Cấy độ giật trước tiên bao gồm việc lắng đọng một màng mỏng vật liệu B mới trên bề mặt chất nền phôi A, sau đó sử dụng chùm ion khí năng lượng cao-(chẳng hạn như Ar⁺ hoặc N⁺) để đẩy các nguyên tử của vật liệu B vào mạng tinh thể của chất nền, tạo thành lớp hỗn hợp A+B với các đặc tính bề mặt mới. Việc cấy giật lại đòi hỏi năng lượng chùm ion cao hơn, đạt trên 150 keV. (3) Trộn chùm ion [1]
Trộn chùm ion:-lắng đọng trước các phần tử cần thiết luân phiên trên nền để tạo thành màng mỏng nhiều lớp (độ dày mỗi lớp từ vài nanomet đến hàng chục nanomet), sau đó bắn phá màng bằng các ion năng lượng cao để loại bỏ các bề mặt tiếp xúc nhiều lớp, biến nó thành hỗn hợp cấp độ nguyên tử-đồng nhất, từ đó tạo thành một hợp kim mới trên bề mặt nền. Việc trộn chùm tia ion có thể được thực hiện giữa phương tiện hai lớp-hoặc màng kim loại nhiều lớp: Ví dụ: Trộn giữa màng kim loại và chất nền; trong các mạch tích hợp, các tiếp điểm ohmic tiếp giáp nông sử dụng dạng trộn nền tảng-kim loại-một lớp kim loại này. Sau khi trộn chùm ion, silicide hình thành ở bề mặt phân cách, làm giảm điện trở tiếp xúc ohmic.
Trộn chùm ion màng kim loại nhiều lớp: Trộn chùm ion trong màng nhiều lớp được điều chế từ hệ thống kim loại hai lớp- là phương pháp trộn chùm ion màng nhiều lớp, được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi pha hợp kim của hai kim loại. Chất nền có thể là kim loại, gốm hoặc chất cách điện.
Công nghệ trộn động: Quá trình lắng đọng và cấy ghép diễn ra đồng thời, thường được gọi là công nghệ lắng đọng tăng cường chùm ion. Tùy thuộc vào năng lượng, các ion năng lượng được chia thành các ion năng lượng cao-(thứ tự MeV) và các ion năng lượng-thấp (dưới thứ tự keV). Các chùm ion năng lượng cao{4}}cần có máy gia tốc ion và dễ gây ra nhiều khiếm khuyết trên lớp bề mặt chất nền, dễ dàng đánh bật nhiều nguyên tử lắng đọng và làm giảm đáng kể tốc độ lắng đọng. Chùm ion năng lượng-thấp có hiệu ứng bề mặt tốt hơn, do đó, quá trình lắng đọng tăng cường chùm ion thường sử dụng phương pháp bắn phá chùm ion năng lượng-thấp. Sự bắn phá của chùm ion đầy năng lượng lên bề mặt màng gây ra nhiều hiệu ứng hóa lý ảnh hưởng quyết định đến cấu trúc và tổ chức của màng. Trong một số ứng dụng tia cực tím chân không nhất định, ánh sáng 172 nm có thể đóng vai trò là nguồn sáng phụ để tăng cường độ sạch bề mặt trong quá trình trộn động.
Hình 9-2 Quá trình trộn chùm tia ion: a) Lớp màng lắng đọng b) Cấy ion c) Trộn chùm tia ion ○- Nguyên tử cơ chất ●- Nguyên tử lớp màng ●- Ion
5. Ưu điểm của công nghệ cấy ion
Tóm lại, những ưu điểm của việc cấy các ion có năng lượng 20–500 keV vào bề mặt vật liệu có thể tóm tắt như sau:
Quá trình cấy ion có tác dụng luyện kim ion, với thành phần lớp cấy ghép không bị hạn chế bởi trạng thái cân bằng nhiệt động.
Kiểm soát liều lượng ion cấy ghép để đạt được các đặc tính bề mặt mong muốn.
Tăng nhiệt độ cơ chất tối thiểu trong quá trình cấy ghép.
Không có thay đổi về kích thước phôi hoặc độ nhám bề mặt trong quá trình cấy ghép.
Các phần tử được cấy ghép được chôn trong lớp được cấy ghép nên lớp chỉnh sửa bề mặt không bị bong tróc như các lớp phủ.
Các ion được cấy ghép có thể xuyên qua lớp phủ bề mặt hiện có, lớp rào cản oxit hoặc lớp rào cản nhiệt.
Hiệu suất bề mặt tổng thể không bị ảnh hưởng.
Các phần tử được cấy ghép giới hạn ở lớp bề mặt, đạt được hiệu quả tương tự như hợp kim hóa vật liệu khối trong khi tiết kiệm vật liệu đắt tiền và tài nguyên chiến lược chỉ thông qua sửa đổi bề mặt.
Công nghệ cấy ion được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất cơ khí, y sinh, công nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác để cải thiện khả năng chống mài mòn của vật liệu, chống ăn mòn, chống oxy hóa, chống mỏi và các tính chất đặc biệt (như siêu dẫn, vật liệu quang học từ tính). Trong nghiên cứu luyện kim, cấy ion tận dụng lợi thế luyện kim nguyên tử của nó để nghiên cứu các quá trình biến đổi pha, tổng hợp các pha mới và nghiên cứu vai trò luyện kim của các nguyên tố khác nhau trong vật liệu gốm, vật liệu siêu cứng, v.v.
9.2.3 Lắng đọng phún xạ chùm ion và khắc tia ion
Chùm ion năng lượng-trung bình có năng lượng 500–1000 eV chủ yếu được sử dụng để lắng đọng phún xạ chùm ion và khắc tia ion [1−5].
1. Lắng đọng chùm tia ion
Các chùm ion năng lượng trung bình-bắn phá bề mặt vật liệu; năng lượng ion ngăn chặn sự xâm nhập vào mạng vật liệu nhưng truyền năng lượng đến các nguyên tử mục tiêu, gây ra hiện tượng phún xạ khi chúng bay ra khỏi bề mặt và đọng lại trên phôi để tạo thành màng mỏng. Do hiện tượng phún xạ được tạo ra bởi các chùm ion nên các nguyên tử màng phún xạ có năng lượng cao và trong điều kiện chân không cao với sự bắn phá của chùm ion vào mục tiêu, độ tinh khiết của màng cao, cho phép lắng đọng các màng-chất lượng cao với độ ổn định được cải thiện, đạt được các đặc tính cơ học và quang học tốt hơn. Trong quá trình chuẩn bị màng mỏng quang học, quy trình này thường được kết hợp với bóng đèn UV 222 nm để làm sạch-tại chỗ trong buồng chân không, đảm bảo độ tinh khiết cao trong quá trình phún xạ. Mục đích của phún xạ chùm ion là tạo ra vật liệu màng mỏng mới.
2. Khắc tia ion
Quá trình khắc bằng chùm ion cũng sử dụng chùm ion năng lượng trung bình-để bắn phá bề mặt vật liệu để phún xạ, tạo ra hiện tượng ăn mòn trên bề mặt; nó là công nghệ cốt lõi để tạo khuôn trong các thiết bị bán dẫn, thiết bị quang điện tử và các lĩnh vực khác. Trong quá trình chuẩn bị chip mạch tích hợp bán dẫn, hàng triệu bóng bán dẫn được chế tạo trên một tấm silicon tinh thể-có đường kính Φ12 in (Φ304,8 mm). Mỗi bóng bán dẫn được chế tạo từ nhiều lớp màng với các chức năng khác nhau, bao gồm lớp hoạt động, lớp cách điện, lớp cách ly, lớp dẫn điện, v.v. Mỗi lớp chức năng có một mẫu riêng nên sau khi lắng đọng từng màng mỏng chức năng, quá trình khắc tia ion sẽ loại bỏ những phần không cần thiết, giữ lại các thành phần màng hữu ích. Chiều rộng dây chip hiện tại đạt tới 7 nm, đòi hỏi phải khắc tia ion để tạo ra các mẫu đẹp như vậy. So với phương pháp khắc ướt ban đầu, phương pháp khắc tia ion là phương pháp khắc khô với độ chính xác cao. Trong xử lý thiết bị quang học tia cực tím chân không, ánh sáng 172 nm đôi khi được sử dụng để xử lý sơ bộ bề mặt phụ trợ trước khi ăn mòn.
Công nghệ khắc tia ion bao gồm-khắc khắc chùm tia ion không phản ứng và khắc chùm tia ion phản ứng. Cái trước sử dụng chùm ion argon để khắc phản ứng vật lý; loại thứ hai sử dụng chùm ion flo để phún xạ, trong đó ngoài việc phún xạ năng lượng- cao, chùm ion flo còn phản ứng hóa học với các màng bị ăn mòn như SiO₂, Si₃N₄, GaAs, W, v.v., bao gồm cả quá trình vật lý và hóa học để có tốc độ ăn mòn nhanh hơn. Quá trình ăn mòn phản ứng sử dụng các khí ăn mòn như CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃, tạo ra các sản phẩm phụ SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆, là các khí ăn mòn được thải ra ngoài. Công nghệ khắc tia ion là cần thiết để sản xuất các sản phẩm công nghệ cao-.
