Газовый кластерный ионный пучок - Gas cluster ion beam

Ионные пучки газовых кластеров (GCIB) - это технология наномасштабной модификации поверхностей. Он может сглаживать самые разные типы поверхностных материалов с точностью до ангстрем шероховатости без подповерхностных повреждений. Он также используется для химического изменения поверхностей путем вливания или осаждения.

Процесс

Используя GCIB, поверхность бомбардируется пучком высокоэнергетических наноразмерных кластер ионы. Кластеры образуются, когда газ под высоким давлением (примерно 10 атмосферы давление) расширяется в вакуум (1e-5 атмосфер). Газ расширяется адиабатически а потом остывает конденсируется в кластеры. В кластеры представляют собой наноразмерные частицы кристаллической материи с уникальными свойствами, которые занимают промежуточное положение между областями атомной физики и физики твердого тела. Расширение происходит внутри сопла, которое формирует поток газа и способствует образованию струи кластеров. Струя кластеров проходит через отверстия дифференциальной откачки в область высокого вакуума (1e-8 атмосфер), где кластеры ионизируются за счет столкновений с энергией. электроны. Ионизированные кластеры электростатически ускоряются до очень высоких скоростей и фокусируются в плотный пучок.

Затем луч GCIB используется для обработки поверхности - обычно обработанная подложка механически сканируется в луче, чтобы обеспечить равномерное облучение поверхности. Аргон является широко используемым газом при обработке GCIB, поскольку он химически инертен и недорог. Аргон легко образует кластеры, атомы в кластере связаны между собой Силы Ван-дер-Ваальса. Типичными параметрами для высокоэнергетического GCIB аргона являются: ускоряющее напряжение 30 кВ, средний размер кластера 10400 атомов, средний заряд кластера +3,2, средняя энергия кластера 64 кэВ, средняя скорость скопления 6.5 км / с, с полным электрическим током 200 мкА или больше[1][2]. Когда кластер аргона с такими параметрами ударяется о поверхность, образуется неглубокий кратер диаметром примерно 20 нм и глубиной 10 нм. При использовании изображения Атомно-силовая микроскопия (AFM) кратеры очень похожи на кратеры на планетных телах.[3] [4][5]. Типичная обработка поверхности GCIB позволяет поражать каждую точку поверхности множеством кластерных ионов, что приводит к сглаживанию неровностей поверхности.

Обработка GCIB с более низким энергопотреблением может использоваться для дальнейшего сглаживания поверхности, а GCIB может использоваться для получения гладкости на атомарном уровне как на плоских, так и на неплоских поверхностях. Для GCIB можно использовать практически любой газ, и существует множество других применений для химически реактивных кластеров, таких как допинг полупроводники (используя B2ЧАС6 газ), очистка и травление (с использованием NF3 газ), а также для нанесения химических слоев.

Промышленное применение

В промышленности GCIB использовался для изготовления полупроводниковые приборы[6], оптический тонкие пленки[7], обрезка УВИДЕЛ и FBAR фильтрующие устройства [8], системы с фиксированной дисковой памятью и для других целей. Было показано, что сглаживание высоковольтных электродов GCIB снижает полевая электронная эмиссия, и RF-резонаторы, обработанные GCIB, изучаются для использования в будущих высокоэнергетических ускорители частиц [9].

Небольшие кластерные источники GCIB с аргоном все чаще используются для аналитического профилирования по глубине с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Кластеры аргона значительно уменьшают повреждение образца во время профилирования по глубине, что делает это практичным впервые для многих органических и полимерных материалов. Это значительно расширило диапазон материалов, к которым может применяться (например) XPS. [10][11]. Скорость газового кластерного распыления разных полимеров сильно различается,[1] и рентгеновское повреждение (того типа, которое накапливается во время анализа XPS) может заметно изменить эту скорость распыления.[2] Распыление кластерными ионами газа, как правило, менее опасно, чем монотомное распыление, тем не менее, может привести к повреждению, которое очень заметно в некоторых материалах.[3]

Родственный метод с ограниченным набором применений с использованием высокоскоростного углерода. Фуллерены для обработки поверхностей, был изучен (ссылка?).

Ускоренные пучки нейтральных атомов (ANAB) - это недавняя вариация GCIB. [12]. С помощью ANAB высокоскоростные кластеры нагреваются и испаряются за счет столкновений с молекулами газа с тепловой энергией, а заряженные остатки кластера отклоняются из пучка, оставляя интенсивный сфокусированный пучок отдельных быстрых нейтральных мономеров / атомов. Мономеры испаряются из кластеров с низкой тепловой энергией, и они сохраняют скорость центра масс кластера и, следовательно, не выходят из пучка до столкновения с поверхностью. При использовании для обработки поверхности луч ANAB имеет почти такую ​​же полную энергию и скорость, что и исходный луч GCIB, но сглаживающий эффект на поверхности сильно отличается, поскольку рассеянные удары отдельных быстрых атомов более мягкие, чем удары кластеров. . С ANAB даже меньше подземных повреждений, чем с GCIB. Отсутствие электрического заряда устраняет дефокусировку луча пространственным зарядом и накопление статического заряда на поверхностях, что очень полезно для таких приложений, как производство полупроводниковых устройств. [13].

Рекомендации

  1. ^ Камсон, Питер; Портолес, Хосе; Барлоу, Андерс; Сано, Наоко (2013). «Точное распыление кластерных ионов аргона: измеренные выходы и влияние порога распыления при практическом профилировании по глубине с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов». Журнал прикладной физики. 114 (12): 124313. Дои:10.1063/1.4823815.
  2. ^ Камсон, Питер; Портолес, Хосе; Сано, Наоко; Барлоу, Андерс (2013). "Рентгеновские увеличенные скорости распыления в профилировании распылением кластерных ионов аргона полимеров по глубине". Журнал вакуумной науки и технологий B. 31 (2): 021208. Дои:10.1116/1.4793284.
  3. ^ Барлоу, Андерс; Портолес, Хосе; Камсон, Питер (2014). «Наблюдаемые повреждения во время профилей глубины кластеров аргона в сложных полупроводниках». Журнал прикладной физики. 116 (5): 054908. Дои:10.1063/1.4892097.
  • Обработка материалов кластерными ионными пучками: история, технология и приложения, Исао Ямада, (CRC press, Boco Raton, 2016) ISBN  1498711758
  • Кластерные ионно-твердые взаимодействия: теория, моделирование и эксперимент, Зинэтула Инсепов, (CRC press, Boca Raton, 2016) ISBN  9781439875421
  • И. Ямада, Дж. Мацуо, Н. Тойода, А. Киркпатрик, «Обработка материалов пучками газовых кластерных ионов», Материаловедение и инженерные отчеты R34 (6) 30 октября 2001 г. ISSN 0927-796X
  • Технология поверхностей и покрытий (Серф. Пальто. Техн.) ISSN 0257-8972

внешняя ссылка