이온 빔 처리 기술

이온 빔 처리의 원리.

이온 빔 처리에는 진공 조건에서 전자총을 사용하여 전자 빔을 생성하는 과정이 포함됩니다. 그런 다음 전자 빔은 불활성 가스로 채워진 비워진 이온화 챔버로 유입됩니다. 저압 불활성 가스가 이온화되고 그 결과 생성된 양이온이 추출되어 가속 및 초점 조정과 같은 단계를 거칩니다. 마지막으로 이온이 공작물 표면으로 향하고 이온의 미세한 기계적 충격을 통해 재료 가공이 이루어집니다.

이온 빔 처리의 원리는 전자 빔 처리의 원리와 유사하지만, 이온은 양전하를 띠고 질량이 전자보다 수천 또는 수만 배 더 크다는 차이점이 있습니다. 예를 들어 아르곤 이온의 질량은 전자의 72,000배입니다. 이온이 고속으로 가속되면 이온 빔은 전자 빔에 비해 더 큰 충격 에너지를 갖습니다. 이온 빔 가공은 운동 에너지를 열로 변환하여 재료를 가공하는 것이 아니라 미세한 기계적 충격 에너지를 사용합니다.

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이온 빔 처리의 특성.

이온 빔 가공은 미세 가공 및 정밀 제조에서 원자 및 분자 규모의 제조를 위한 유망한 방법입니다. 그 특징은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

1. 높은 가공 정확도와 표면 품질: 이온 빔 가공은 재료 가공에 미세한 힘 효과를 사용하며, 가공된 표면은 열, 기계적 응력 또는 손상을 일으키지 않습니다. 이온 빔 스폿의 직경은 1μm 이내로 제어할 수 있으며, 가공 정확도는 나노미터 수준에 도달할 수 있습니다.
2. 가공 가능한 재료의 범위가 넓습니다: 진공 조건에서 가공이 이루어지기 때문에 쉽게 산화되는 금속, 합금 재료 및 고순도 반도체 재료의 가공에 특히 적합합니다.
3. 다양한 처리 방법: 이온 빔 처리는 제거, 코팅 및 주입에 사용할 수 있습니다. 이러한 처리 원리는 집적 회로 제작에서 매우 중요한 역할을 하는 성형, 에칭, 박막화, 노광과 같은 다양한 특정 방법을 생성할 수 있습니다.
4. 우수한 성능과 손쉬운 자동화.
5. 광범위한 응용 분야: 이온 빔 스폿의 직경과 이온 빔의 에너지 밀도는 다양한 처리 목적을 달성하기 위해 처리 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 밀도가 높은 소구경 이온 빔은 제거 공정에 사용되는 반면 에너지 밀도가 낮은 대구경 이온 빔은 코팅 및 에칭에 적합합니다. 주입에는 에너지 밀도가 약한 대구경 이온빔이 사용됩니다.
6. 이온 빔 가공에는 고가의 특수 장비와 진공 시스템 세트가 필요합니다. 따라서 적용에는 특정 제한이 따릅니다.

이온 빔 처리 기술 및 애플리케이션.

이온빔 가공의 적용 범위는 확대되고 지속적으로 혁신하고 있습니다. 부품의 크기와 표면의 물리적, 기계적 특성을 변경하는 데 사용되는 주요 이온빔 가공 기술은 그림 1.1과 같이 이온빔 스퍼터링 제거 가공, 이온빔 스퍼터링 코팅 가공, 이온빔 사출 표면 개질 가공 및 이온빔 투사 노광 가공입니다.

이온 빔 스퍼터링 제거 처리.

이온 빔 제거 공정이라고도 하는 이온 빔 스퍼터링 제거 공정은 에너지 범위가 0.1-5 keV이고 직경이 수 나노미터인 아르곤 이온을 사용하여 공작물 표면을 강타합니다. 전달된 에너지가 공작물 표면 원자(또는 분자) 사이의 결합력을 초과하면 재료 표면의 원자(또는 분자)가 하나씩 스퍼터링되어 가공 목표를 달성합니다. 원자 및 분자 단위 가공 및 초정밀 가공의 대표적인 방법입니다.

현재 주요 응용 분야는 첫째, 높은 해상도, 우수한 정확도 및 일관된 반복성을 가진 자이로 에어 베어링 및 공기 역학 엔진의 홈 가공, 둘째, 집적 회로, 광전자 소자 및 광전자 집적 소자와 같은 고정밀 패턴 에칭, 셋째, 태양 전지의 무반사 질감 표면 처리, 넷째, 투과 전자 현미경 샘플용 재료 박막화, 다섯째, 단결정 다이아몬드 공구 가공 등으로 다양합니다.

이온 빔 스퍼터링 코팅 공정.

이온 빔 스퍼터링 코팅 공정은 원자 및 분자 수준의 증착 공정으로, 이온 빔 스퍼터링 증착이라고도 합니다. 진공 조건에서 0.1-5keV의 에너지 범위를 가진 아르곤 이온을 사용하여 대상 물질에 충격을 가하면 대상에서 원자 또는 분자가 방출되어 공작물 표면에 증착됩니다. 반면에 고속 중성 입자는 작업물 표면에 충격을 가해 코팅과 피착재 사이의 접착력을 향상시킵니다(최대 10~20MPa). 스퍼터링된 중성 원자 또는 분자의 상당한 운동 에너지로 인해 이 코팅은 증착 및 전기 도금과 같은 방법에 비해 접착력이 더 높습니다. 코팅이 균일하고 밀도가 높으며 효율이 높습니다.

이온 빔 코팅은 금속 및 비금속을 포함한 다양한 재료에 적용하여 표면에 금속 또는 비금속 박막을 증착할 수 있습니다. 다양한 합금, 화합물, 합성 재료, 반도체 재료 및 고융점 재료에 사용할 수 있습니다. 윤활 필름, 내열 필름, 내마모 필름, 장식용 필름, 전기 필름 코팅, 환경 오염을 줄이기 위한 경질 크롬 도금 대체, 정밀 볼 베어링에 이온 빔 코팅을 적용하여 수명을 수천 시간 연장, 절삭 공구에 수 마이크로미터 두께의 TiN 또는 TiC 코팅을 증착하여 수명을 3-10배 증가, 티타늄 합금 블레이드에 귀금속 코팅층(Pt, Au, Rh 등)을 증착하여 피로 수명을 30% 증가시키고 산화 저항 및 내식성 향상 등의 용도로 사용할 수 있습니다.

이온 빔 주입 처리.

이온 빔 사출 공정은 주입할 원소를 이온화하고 전기장에서 양이온을 분리 및 가속하여 수백 킬로전자볼트의 고에너지 이온 빔을 형성하여 공작물 표면을 강타하는 과정을 포함합니다. 이온의 운동 에너지가 크기 때문에 표면층으로 침투하여 전하를 중화시키고 격자에서 치환 원자 또는 간극 원자가 되어 재료의 화학적 조성, 구조 및 특성에 변화를 일으킵니다. 이온 주입은 반도체 재료 도핑, 금속 재료 변형 및 기타 목적으로 사용할 수 있습니다. 트랜지스터, 집적 회로, 태양 전지 등의 생산을 위해 단결정 실리콘에 인이나 붕소와 같은 불순물을 주입하거나, 철에 산소 이온을 주입하여 내산성을 향상시키는 Fe3O4를 형성하거나, 고속 강철 절삭 공구에 질소 이온을 주입하여 수명을 늘리거나, 주석에 니오브 이온을 주입하여 초전도 표면을 형성하는 등 다양한 용도로 활용될 수 있습니다.

이온 빔 노출 처리.

이온 빔 노광은 고감도 및 고해상도라는 장점이 있습니다. 이온 질량이 전자보다 훨씬 크기 때문에 후방 산란과 기판에 대한 인접 효과가 적어 선폭이 0.1μm 이하인 정밀한 미세 구조를 노출할 수 있습니다. 또한 전자와 비교하여 이온의 직경과 질량이 더 크기 때문에 이온은 레지스트에 들어간 후 더 큰 저항을 만나고 레지스트 내에서 더 짧은 범위를 갖습니다. 따라서 레지스트가 이온 에너지를 완전히 흡수하여 감도를 높일 수 있습니다. 실험에 따르면 레지스트를 사용할 때 이온 빔 노출은 전자 빔 노출보다 감도가 1배 이상 높기 때문에 노출 시간을 훨씬 더 단축할 수 있습니다.