РПЗ (Ионно-лучевое полирование материалов)

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э.БауманаФакультет «Машиностроительные технологии»Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»Ионно-лучевое полированиематериаловРасчетно-пояснительная запискаВыполнила:Одинокова Е.В.Группа МТ11-81Руководитель:Панфилов Ю.В.Москва,2013СодержаниеАннотация ..................................................................................................3Введение .....................................................................................................41. Технологический анализ изделия ..............................................52. Ионно-лучевое полирование....................................................103. Влияние угла падения ионного пучка на коэффициентраспыления шероховатой поверхности ..................................134.

Используемое оборудование ...................................................195. Статистическая обработка результатов ..................................21Выводы ................................................................................................27Список литературы ............................................................................282АннотацияВ рамках курсового проекта по курсу «Элионные технологии» был рассмотренметодионно-лучевойполировкиматериала,предназначенныйдляуменьшениямикрорельефа поверхности подложки до нанометровых размеров.Графическая часть проекта представляет собой 5 листов формата А1. Графическаячасть проекта выполнена в системе Microsoft® Office Publisher 2007.Расчетно-пояснительная записка выполнена в среде Microsoft® Office Word 2007.Расчетно-пояснительная записка состоит из 28 страницы, 13 рисунков, 5 таблиц, списоклитературы содержит 7 наименований.Курсовой проект содержит следующие подразделы:1) Технологический анализ изделия, требования к шероховатости поверхности;2) Моделирование процесса ионно-лучевого травления;3) Принципиальная схема ионно-лучевого полирования образца;4) Схема и результаты измерения нанорельефа до и после ионно-лучевогополирования;5) Результаты статистической обработки экспериментальных данных.В данной курсовой работе были построены модели микронеровностей поверхностив виде пирамиды и произведены расчеты коэффициента распыления в зависимости отформы микрорельефа.

Был проведен анализ методов сканирования атомно-силовогомикроскопа. Проведен эксперимент для проверки теоретических результатов–полученные экспериментальные данные проверены методами статистической обработки.3ВведениеИонно-лучевоетравлениеиспользуетсядляуменьшенияшероховатостиповерхности различных деталей, например, элементов оптических систем: зеркал, линз,призм и т.п.

Известен термин «ионное полирование», определяющий физическоераспыление вершин микронеровностей поверхности высокоэнергетичными ионамиинертных или и активных газов. В большинстве исследований авторы опубликованныхработ оценивают зависимость параметров шероховатости обработанной ионным пучкомповерхности от угла падения ионов. Однако, в этих работах, как правило, не учитываетсяформа микронеровностей, зависящая от вида и режимов механической или химикомеханической обработки поверхности подложки, имеющая место на стадии поставкиподложи потребителю.Целью данной работы является теоретическое определение влияния формымикронеровностей исходной поверхности на коэффициент физического распыленияматериала, который является аргументом скорости ионного распыления и которыйсущественно зависит от угла воздействия иона на обрабатываемую поверхность, ипроверка полученной модели экспериментально.Важность такого исследования определяется, на наш взгляд, двумя факторами: вопервых, практической потребностью в уменьшении шероховатости поверхности деталейдо Ra порядка 1 – 4 нм, например, для зеркал лазерного гироскопа, линз и зеркалтелескопа, установок фотолитографии,а во-вторых, теоретическим обоснованиемпотенциальных возможностей ионно-лучевого травления в уменьшении шероховатостиповерхности твердого тела.

Вторая задача связана с тем, что в последнее время появилисьрекламные материалы, предлагающие изделия с параметрами шероховатости в несколькоангстрем или технологии, обеспечивающие такие шероховатости, что вызывает оченьбольшие сомнения.41.Технологический анализ изделия1.1. Диэлектрические зеркала для He-Ne кольцевых лазерныхгироскоповРис.1 Диэлектрические зеркалаЗеркала предназначены для круговой поляризации падающего излучения на длиневолны 632,8 нм. Они обладают маленькими потерями на пропускание, интегральноерассеяние, поглощение. Лазерные зеркала получают методом ионно-лучевого напыленияна установках, оснащенных безмасляными средствами откачки (криогенные насосы),средствами оптического или кварцевого контроля.Технические характеристики подложекПараметр, единица измеренияМатериал подложки зеркалаТаблица 1ЗначениеСиталл СО115М (ОСТ3-104-77)Кварцевое стекло КУ1 (ГОСТ 15130-86)Диаметр, мм24-30Шероховатость (RMS, нанометр)< 15Оптическая чистота поверхностиI-II класс (ГОСТ 11141-84)Плоскостность поверхности/10Местная ошибка/20Клиновидность подложек, сек< 5 для плоских зеркал< 30 для плосковогнутых5Параметр, единица измеренияРадиус плосковогнутых подложек, ммЗначение2800-49001.2.

Зеркало для нано-фокусировки рентгеновских лучейРентгеновское излучение с высокой энергией обладает мощным разрушающимсвойством, поэтому для фокусировки такого вида излучения применяются специальныезеркала с изогнутой поверхностью, позволяющие минимизировать проникновение лучейво внутреннюю систему приборов. Вследствие отражения зеркалом лазерного луча вочень малом диапазоне углов его поверхность должна составлять 400 мм в длину иулавливать весь испускаемый лазером поток рентгеновских лучей.В качестве материала для фокусирующего зеркала был выбран кремний: будучиотносительно легким элементом, он слабо абсорбирует рентгеновское излучение и, такимобразом, является стойким к разрушающему воздействию рентгеновских лучей. Другимположительным качеством этого материала является низкое количество неоднородностей,поскольку качество отражающей поверхности сильно влияет на качество отраженноголуча.1.3.Гидрофильность, гидрофобность и сверхгидрофобностьНа абсолютно гладкой поверхности материала (подложке) находится капля воды.

Междуводой и поверхностью будет возникать межмолекулярное взаимодействие, котороеназывается смачиванием.Рис.2 Характер смачивания водой данной поверхности определяется краевым угломtetha;. Слева направопоказаны значения краевых углов, которые может приниматькапля воды, находящаяся на гидрофильной, гидрофобной и сверхгидрофобнойповерхности.6Описанные типы взаимодействия капли с поверхностью (рис.2), как и многиедругие физические явления, обусловлены принципом минимума энергии: капля стремитсяпринять форму с минимально возможным значением энергии.

Один из «источников»энергии капли (если она не очень большая, иначе нужно учитывать еще и силутяжести) — взаимодействие молекул воды между собой и взаимодействие поверхности сблизлежащими молекулами воды. Если сила межмолекулярного взаимодействия междумолекулами воды внутри капли слабее взаимодействия между молекулами воды иповерхности, то капле энергетически выгодно растечься (то есть сформировать острыйкраевой угол). Так возникает явление гидрофильности.Когда молекулы воды внутри капли сцеплены сильнее, чем сила, с которой ониконтактируют с поверхностью, капле выгоднее иметь форму, близкую к шару. В этомслучае реализуется гидрофобность. Сверхгидрофобность означает, что молекулы водыпрактически не обращают внимания на силы, действующие со стороны подложки. Дляобеспечения минимума энергии капли молекулам воды лучше всего взаимодействоватьтолько между собой.ВсёвышесказанноеВ действительностижеотноситсялюбаякповерхность,идеальнодажегладкойкажущаясяповерхности.гладкой,имеетнаноскопические и микроскопические шероховатости.

Многочисленные экспериментыустановили, что этот нано- и микрорельеф способен существенно менять краевой угол иделать его неоднозначным в определении (специалисты называют это гистерезисомсмачивания). Поэтому свойства поверхности в отношении попадающей на нее воды могутсущественноменяться:например,гидрофобнаяповерхностьможетстатьсверхгидрофобной. Происходит это, во-первых, потому, что шероховатости увеличиваютплощадь взаимодействия поверхности с каплей.

А во-вторых, форма микрорельефа влияетна то, как капля после попадания на поверхность будет растекаться по ней.1.4.Общие параметры спецификаций астрономических зеркал и системМатериал:Для производства астрономических зеркал обычно используются ZERODUR, (SCHOTT,Германия) или его российский аналог астроситалл (ситалл оптический CO115M),плавленый кварц и оптические стекла ЛК5 и ЛК7 (ближайшие российские аналоги Pyrex,CORNING,США).Типматериалавыбираетсявсоответствиистребуемойспецификацией, условиями эксплуатации и применениями оптических систем.Точность рабочей поверхности:7до L/10 30-40 нм по волновому фронту, что эквивалентно точности L/20 30-40 нм поповерхности.Покрытия:Основным покрытием, которое используется нами при производстве астрономическихзеркал, является алюминий с защитой.Стандартные виды зеркал:Одиночные сферические зеркалаОдиночные параболические и гиперболические зеркалаПлоские диагональные зеркала эллиптической формы1.5.

Компоненты для ГУФ фотолитографииОдно из основных требований современной оптоэлектроники заключается вминиатюризации приборов, устройств и их комплектующих и диктует необходимостьиспользованияУФфотолитографическоймонохроматическоголазерныхтехнологии.лазерногоисточниковОбладаяизлучения,какосновныхкороткойименнодлинойониинструментовволныпозволяютмощногоформироватьструктуры наномасштаба и, таким образом, создавать системы, характеризующиесямаксимальным разрешением и плотностью упаковки.Современные проекционные установки шагового мультиплицирования (такназываемые степперы и сканеры) на базе KrF эксимерных лазеров с длиной волныизлучения 248 нм позволяют создавать объекты, характеризующиеся размером порядка110 нм. Использование ArF лазера (193 нм) позволило снизить это значение до 65 нм.Дальнейшее повышение разрешения систем оказалось возможным при использованиииммерсионной литографии, когда излучение фокусируется не на сухую, а на влажнуюподложку, смоченную специальной иммерсионной жидкостью.

Это позволило более чемна треть увеличить числовую апертуру и создавать микрочипы на базе структур сразмерами порядка 45 нм.ПрименениесинтетическогокристаллическогокварцадляцелейГУФ-фотолитографии обусловлено его превосходным пропусканием в УФ-области спектра,высокой оптической однородностью и кристаллическим совершенством, химическойстойкостью и устойчивостью к воздействию мощного лазерного излучения.Жесткие условия применения диктуют повышенные требования к данной оптике.Основные параметры спецификации выглядят следующим образом:8Основные параметры спецификацииПараметрТаблица 2ЗначениеТочность ориентации осей, угл.