Московский государственный технический университет

им. Н.Э.Баумана

Ю.В.Панфилов

ЭЛЕКТРОННЫЕ, ИОННЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рекомендовано методической комиссией факультета

«Машиностроительные технологии» МГТУ им.Н.Э.Баумана

в качестве учебного пособия по курсу

«Элионные технологии»

Москва

МГТУ им.Н.Э.Баумана

Факультет

«Машиностроительные технологии»

2009

Часть I. ОСНОВЫ ЭЛИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Области применения, в т.ч. нанотехнологии.

Основы технологии: типовой маршрут (подготовка поверхности, нанесение слоев, литография, травление, имплантация, термообработка, контроль параметров и т.д.); обрабатываемые материалы; методы нанесения тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации; расчет режимов нанесения тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации.

1. Введение

2. Общие положения

3. Формирование потоков частиц

4. Вакуумное осаждение тонких пленок

5. Вакуумно-плазменное травление

6. Ионно-лучевая обработка и ионная имплантация

7. Измерения и контроль в вакууме

8. Заключение. Перспективы элионных технологий

Введение

Электронные технологии – это процессы обработки материалов высокоэнергетическими потоками частиц (электроны, ионы, молекулы), газоразрядной плазмой и излучениями (оптическое, гамма, рентгеновское). Применяют также наименования «электронно-ионно-плазменные», «элионные» технологии, однако «электронные» получило распространение как наиболее простое.

Расширительно к электронным технологиям относят ряд нетрадиционных процессов, возникших и отработанных первично в электронной промышленности. Среди них наиважнейший – вакуумирование, получение разреженной среды (вакуума) в замкнутых объемах, в которых проводятся различные технологические операции.

В конце ХХ века насыщение потребительского рынка, обострение конкурентной борьбы во всех сферах производства и сбыта, опережающее развитие таких направлений, как электроника, авиация и космонавтика поставили невиданные ранее требования к качеству промышленных изделий и способам их производства.

В категорию качества сейчас входит не только точность форм и размеров деталей, бесшумность и безотказность машин и приборов, но и экологическая безопасность технологий, комфортность обслуживания технологического оборудования.

Понадобились сверхчистые конструкционные материалы и методы их контроля, технологические воздействия в микронных зонах и с микронным диапазоном точности, чему традиционные технологии машиностроения и приборостроения удовлетворять не в состоянии.

Столетиями в сфере производства при получении конструкционных материалов и их обработке не подвергалось сомнению господство двух технологических сред – атмосферной и жидкостной. Однако, сверхчистые материалы не могут быть получены в атмосфере из-за растворения загрязняющих газов в объеме и на поверхности. Их химический состав и свойства поверхности не могут быть должным образом оценены из-за поверхностной адсорбции паров и газов. Традиционные инструменты формообразования и размерной обработки резанием и пластическим деформированием имеют прочностные пределы миниатюризации и обеспечить микрообработку не в состоянии. А потоки электронов и ионов, поддающиеся необходимой фокусировке в атмосфере функционировать не могут. Нанесение гальванических покрытий и иные технологические методы формирования защитных свойств поверхностного слоя были возможны лишь в токсичных жидких или высокотемпературных паровоздушных средах с экологически опасными стоками и выбросами.

Коренной перелом в решении проблем качества стал возможным благодаря новой технологической среде – вакууму, куда в настоящее время «уходят» многие «традиционные» технологические процессы. Плавка в вакууме позволяет получать особо чистые металлы, без раковин и загрязнений. Сварка в вакууме избавляет от коррозионной хрупкости сварные швы и точки соединения. Вакуумная упаковка продуктов позволяет длительно сохранять все необходимые свойства, сушка в вакууме взамен высокотемпературной атмосферной не приводит к разложению веществ и образованию токсичных выбросов.

Вакуумная техника и электронные технологии дали путевку в жизнь многим принципиально новым процессам. Прежде всего, это экологически чистое безотходное нанесение тонкопленочных покрытий – защитных, упрочняющих, антифрикционных, декоративных. Это легирование путем имплантации в поверхность металла ионов необходимых элементов взамен высокотемпературного насыщения. Это электронно-лучевая размерная микрообработка – получение отверстий, пазов, микронагрев и др. Это «сухое травление» ионными потоками или газоразрядной плазмой с микронным съемом материала по поверхности. Это микролитография – получение на плоскости тонкопленочных структур с микронным и субмикронным уровнем разрешения. Это высочайшей точности контроль в вакууме с помощью потоков частиц размеров микроструктур, химического состава и физических свойств поверхности материалов. Электронные технологии, рожденные первоначально в электронной промышленности, в настоящее время стремительно развиваются и находят применение в ядерной энергетике и космонавтике, электротехнике, машиностроении и приборостроении, строительстве, медицине, при производстве бытовых и художественных изделий.

Общие положения

Электронные технологии в машиностроении – это технологии воздействия потоков частиц в вакууме на конструкционные материалы. Характер воздействия зависит от типа частиц (электроны, ионы, атомы, молекулы), от их энергии и химической активности, а также от материала твердого тела (металлы, полупроводники, диэлектрики и т.п.).

Энергия воздействия определяется массой частиц m и скоростью их движения V (E=mV²/2), электрическим зарядом q и ускоряющим напряжением U (E=qU), а также температурой частиц T (E=kT, где k – постоянная Больцмана). В зависимости от энергии и плотности потока частиц возможны следующие эффекты взаимодействия и их практические приложения (Табл.1).

Уникальность этих технологий заключается в “работе” с отдельными атомами и молекулами обрабатываемых материалов, что приводит к высочайшей дискретности и точности обработки, причем как локальной, так и по всей поверхности детали. Широк и диапазон энергий атомных частиц (от нескольких электронвольт до нескольких ГэВ на частицу) и длительностей воздействия (от 10^-16 с до непрерывной обработки). Эти технологии обладают огромными плотностями мощности пучков (до 10¹² - 10¹⁴ Вт/см²), возможности дозированного легирования поверхностных слоев готовых изделий (повышение в десятки и сотни раз эксплуатационных характеристик деталей и узлов) и непрерывного контроля за состоянием, химическим составом и геометрическими размерами непосредственно в ходе проведения технологической операции, а также из-за возможности быстрой оптимизации параметров и полной автоматизации технологического процесса.

Пример: E=q_ezU=kT=mV²/2 (z – кратность ионизации)

E = q_ezU = 1 эВ = 1,6^.10^-19 Кл ^. 1 В = 1,6^.10^-19 Дж (А^.с^.В) Вт = Дж/с

E = kT = 1,38^.10^-23 Дж/К ^. 1000 К = 1,38^.10^-20 Дж / 1,6^.10^-19 Кл = 0,086 эВ.

293 К = 4^.10^-21 Дж = 0,04 эВ

Т=10⁶ К -> E = kT = 1,38^.10^-23 Дж/К ^. 10⁶ К = 1,38^.10^-17 Дж = 86 эВ -> U = 86 В.

E = mV²/2 = 9,1^.10^-31 кг ^. V²/2 -> V = Ѵ(2^.10^-20 Дж/9,1^.10^-31 кг) = 1,4^.10⁵ м/с

U = 10⁶ В -> E = 1,6^.10^-17 Дж -> V = Ѵ(2^.1,6^.10^-17 Дж/9,1^.10^-31 кг) = 6^.10⁶ м/с -> при приближении к скорости света (10⁸ м/с) начинает увеличиваться масса частицы.

Вакуумное осаждение тонких пленок

Тонкие пленки можно получать практически из любых материалов, а области использования тонкопленочных покрытий имеют очень широкий диапазон (Табл.5).

5. Основные типы, области применения и материалы тонкопленочных покрытий

В качестве подложки могут использоваться практические любые твердые материалы: полупроводники, металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамика, камень, дерево, ткани, порошковые материалы и т.д.