ЭИПТ-1 (Сборник лекций Панфилова)

Московский государственный технический университетим. Н.Э.БауманаЮ.В.ПанфиловЭЛЕКТРОННЫЕ, ИОННЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕТЕХНОЛОГИИРекомендовано методической комиссией факультета«Машиностроительные технологии» МГТУ им.Н.Э.Бауманав качестве учебного пособия по курсу«Элионные технологии»МоскваМГТУ им.Н.Э.БауманаФакультет«Машиностроительные технологии»2009Часть I. ОСНОВЫ ЭЛИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙОбласти 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, вакуумноплазменного травления, ионной имплантации; расчет режимов нанесения тонких пленок ввакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации.1.2.3.4.5.6.7.8.ВведениеОбщие положенияФормирование потоков частицВакуумное осаждение тонких пленокВакуумно-плазменное травлениеИонно-лучевая обработка и ионная имплантацияИзмерения и контроль в вакуумеЗаключение.

Перспективы элионных технологийВведениеЭлектронныетехнологии–этопроцессыобработкиматериаловвысокоэнергетическими потоками частиц (электроны, ионы, молекулы), газоразряднойплазмой и излучениями (оптическое, гамма, рентгеновское). Применяют такженаименования «электронно-ионно-плазменные», «элионные» технологии, однако«электронные» получило распространение как наиболее простое.Расширительно к электронным технологиям относят ряд нетрадиционныхпроцессов, возникших и отработанных первично в электронной промышленности.

Срединих наиважнейший – вакуумирование, получение разреженной среды (вакуума) взамкнутых объемах, в которых проводятся различные технологические операции.В конце ХХ века насыщение потребительского рынка, обострение конкурентнойборьбы во всех сферах производства и сбыта, опережающее развитие таких направлений,как электроника, авиация и космонавтика поставили невиданные ранее требования ккачеству 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 безопасностьтехнологий, 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 всостоянии.Столетиями в сфере производства при получении конструкционных материалов иих обработке не подвергалось сомнению господство двух технологических сред –атмосферной и жидкостной.

Однако, сверхчистые материалы не могут быть получены ватмосфере из-за растворения загрязняющих газов в объеме и на поверхности. Иххимический состав и свойства поверхности не могут быть должным образом оценены изза поверхностной адсорбции паров и газов. Традиционные инструментыформообразования и размерной обработки резанием и пластическим деформированиемимеют прочностные пределы миниатюризации и обеспечить микрообработку не всостоянии.

А потоки электронов и ионов, поддающиеся необходимой фокусировке ватмосфере функционировать не могут. Нанесение гальванических покрытий и иныетехнологические методы формирования защитных свойств поверхностного слоя быливозможны лишь в токсичных жидких или высокотемпературных паровоздушных средах сэкологически опасными стоками и выбросами.Коренной перелом в решении проблем качества стал возможным благодаря новойтехнологической среде – вакууму, куда в настоящее время «уходят» многие«традиционные» технологические процессы. Плавка в вакууме позволяет получать особочистые металлы, без раковин и загрязнений. Сварка в вакууме избавляет от коррозионнойхрупкости сварные швы и точки соединения. Вакуумная упаковка продуктов позволяетдлительно сохранять все необходимые свойства, сушка в вакууме взаменвысокотемпературной атмосферной не приводит к разложению веществ и образованиютоксичных выбросов.Вакуумная техника и электронные технологии дали путевку в жизнь многимпринципиально новым процессам.

Прежде всего, это экологически чистое безотходноенанесение тонкопленочных покрытий – защитных, упрочняющих, антифрикционных,декоративных. Это легирование путем имплантации в поверхность металла ионовнеобходимых элементов взамен высокотемпературного насыщения.

Это электроннолучевая размерная микрообработка – получение отверстий, пазов, микронагрев и др. Это«сухое травление» ионными потоками или газоразрядной плазмой с микронным съемомматериала по поверхности. Это микролитография – получение на плоскоститонкопленочных структур с микронным и субмикронным уровнем разрешения. Этовысочайшей точности контроль в вакууме с помощью потоков частиц размеровмикроструктур, химического состава и физических свойств поверхности материалов.Электронные технологии, рожденные первоначально в электронной промышленности, внастоящее время стремительно развиваются и находят применение в ядерной энергетике икосмонавтике, электротехнике, машиностроении и приборостроении, строительстве,медицине, при производстве бытовых и художественных изделий.Общие положенияЭлектронные технологии в машиностроении – это технологии воздействия потоковчастиц в вакууме на конструкционные материалы.

Характер воздействия зависит от типачастиц (электроны, ионы, атомы, молекулы), от их энергии и химической активности, атакже от материала твердого тела (металлы, полупроводники, диэлектрики и т.п.).Энергия воздействия определяется массой частиц m и скоростью их движения V2(E=mV /2), электрическим зарядом q и ускоряющим напряжением U (E=qU), а такжетемпературой частиц T (E=kT, где k – постоянная Больцмана).

В зависимости от энергии иплотности потока частиц возможны следующие эффекты взаимодействия и ихпрактические приложения (Табл.1).Уникальность этих технологий заключается в “работе” с отдельными атомами имолекулами обрабатываемых материалов, что приводит к высочайшей дискретности иточности обработки, причем как локальной, так и по всей поверхности детали.

Широк идиапазон энергий атомных частиц (от нескольких электронвольт до нескольких ГэВ начастицу) и длительностей воздействия (от 10-16 с до непрерывной обработки). Этитехнологии 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) инепрерывного контроля за состоянием, химическим составом и геометрическимиразмерами непосредственно в ходе проведения технологической операции, а также из-завозможности быстрой оптимизации параметров иполной автоматизациитехнологического процесса.1.Основные виды взаимодействия потоков ускоренных частицс энергиями от Emin до Emax с обрабатываемыми материаламиЭнергия частиц минимальна(Emin): осаждение тонкихпленок; химическая обработка поверхности; сорбционнодесорбционные процессыОООООООООООООООООООООООООООООE1>Emin: активация поверхности; нагрев для термообработки, плавления, испарения(в том числе для локальноговоздействия)E2>E1: выбивание атомов имолекул с поверхности дляее очистки и создания нанои микрорельефа, изучениехимического состава, формирования атомарного и молекулярного потоковE3>E2: проникновение вhνматериал с целью генерирования излучений, исследования и изменения (путем имплантации) химического состава и физических свойствEmax: проникновение сквозьматериал для изготовлениясверхтонких мембран и фильтров, создания основыдля получения наноматериаловОe e eOOOe e***ОeОООООВакуумное осаждение тонких пленокТонкие пленки можно получать практически из любых материалов, а областииспользования тонкопленочных покрытий имеют очень широкий диапазон (Табл.5).5.

Основные типы, области применения и материалы тонкопленочных покрытийТип пленки или покрытияАлмазоподобнаяАнтибликовоеОбласть примененияМатериал пленкиЭлектроника,медицина, -C, -C:H, AlN, ZnOмашиностроение, связьОптикаSiO2, TiO2, ZnO, SnO2,Ta2O3, Si3N4АнтистатическоеМикроэлектроникаАналитическаяДекоративное: на бумаге,металле, пластмассе, стекле,ткани и др.ДиэлектрическаяИндикаторнаяИзносостойкоеКоррозионностойкоеМагнитнаяМеталлическая, контактная,токоподводящяяОптическоеОтражающаяОптическое, излучающееМагнитооптическая,ЦМДПолупроводниковаяПАВ,InO, SnO, ZnOДатчикиотносительной Pt, Tiвлажности, медицинаАрхитектура, строительство, Al, Ti, W, Mo, Au, Cr, Cu,полиграфия,легкая Ag, Nb, бронза, латуньпромышленность, бытоваятехникаМикроэлектроника,SiO, SiO2, Si3N4, Al2O3электротехника, связьЖидкокристаллическиеInSnOиндикаторыМашиностроение:пары TiN, TiCN, TiAlN, AlSi, CrN,трения,резцы, фрезы, NiWO4, WSi, WC, TiN-BN,сверла,инструмент для TiN-NbN-Si3N4,TiN-HfNпрессования и формования, BN, AlN, -C, -C:Hфильеры, валкиМашиностроение,Al, Cu, Cr, Ni, Ti, NiCu,медицина,электроника, ZnCd, MgNi, -C, -CHархитектура, строительство,бытовая техникаЭлектроника, связьCoCr, CoNi, Se, TbМикроэлектроникаAl, Ni, Ta, W, AlSi, PtSi,WSi, PtSi-W-TiW-Al, PtSiW-TiN-AlОптика, оптоэлектроникаAl2O3, Si3N4, SiO2, TiO2,ZnO, ZnAlO, SnO2ОптикаCoO, CrO-Co, FeO, TiO2,SiO2ОптоэлектроникаCdTe, InSnO, PbSnSe, CaF2,CoSi2, CdHgTe, InP, Y3F5O12ПриборостроениеAlN, GdCo, SmCoМикроэлектроника, связьПросветляющееПьезоэлектрическаяОптикаФункциональнаяэлектроникаРезистивнаяСветопоглощающееСверхпроводящаяЭлектроника,электротехника, связьОптика, энергетикаЭлектроника, энергетикаТеплозащитноеАрхитектура строительствоТвердосмазочноеМашиностроениеЭлектретнаяЭлектроника, медицинаSi, GaAs, CaF2, InP, B,GaAsxAly, CdGeAs, CuInSe,CdS, CdSeTaO, TiO, WO, AlOAlN, LiNb3, Al, Pd, Au, Ag,Zn, Cu, Ni-Al, SnAl, Fe, CrAu, Ni-VRe, Cr, Ni, NiCr, Au, Al, Ti,Ta, AlW, Ti-Ta-NCuIn3Se5NbN, BaCaCuO, TlBaCaCuO,YbaCuO, BiSrCaCuOTiO2-Ag-TiO2, SnO2, SiN,CrNMoS2, WS2, MoSe2, Wse2, C, -C:H, фторопласт-4Ta2O5В качестве подложки могут использоваться практические любые твердыематериалы: полупроводники, металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамика, камень,дерево, ткани, порошковые материалы и т.д.Технологический маршрут нанесения тонкопленочных покрытий состоит изследующих операций:1) проверки работоспособности оборудования (наличия рабочих материалов, газов,герметичности вакуумных камер);2) загрузки подложки из атмосферы в вакуум и ее перемещения в рабочую(технологическую) камеру;3) подготовки поверхности подложки (нагрева, очистки, активации);4) выхода на заданные режимы работы источников нанесения тонкопленочного покрытия;5) напуска рабочего газа (если необходимо);6) осаждения тонкой пленки;7) стабилизации и контроля параметров пленки (нагрев, отжиг и др.);8) выгрузки обработанных изделий.Осаждение тонких пленок в вакууме включает три этапа: генерацию атомов илимолекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки.