Tecnologia de processamento de feixes de iões

Princípios do processamento de feixes de iões.

O processamento por feixe de iões envolve a geração de um feixe de electrões utilizando um canhão de electrões em condições de vácuo. O feixe de electrões é então introduzido numa câmara de ionização que foi evacuada e preenchida com gás inerte. O gás inerte a baixa pressão é ionizado e os iões positivos resultantes são extraídos e sujeitos a etapas como a aceleração e a focalização. Finalmente, os iões são dirigidos para a superfície da peça de trabalho e o processamento do material é conseguido através do impacto micro-mecânico dos iões.

Os princípios do processamento por feixe de iões são semelhantes aos do processamento por feixe de electrões, com a diferença de que os iões têm uma carga positiva e uma massa milhares ou dezenas de milhares de vezes superior à dos electrões. Por exemplo, a massa dos iões de árgon é 72.000 vezes superior à dos electrões. Uma vez que os iões são acelerados a altas velocidades, o feixe de iões possui uma maior energia de impacto em comparação com um feixe de electrões. O processamento por feixe de iões baseia-se na energia de impacto micro-mecânico em vez da conversão da energia cinética em calor para o processamento de materiais.

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Características do processamento de feixes de iões.

O processamento por feixe de iões é um método promissor para o fabrico à escala atómica e molecular em microfabricação e fabrico de precisão. As suas características podem ser resumidas da seguinte forma:

1. Elevada precisão de processamento e qualidade de superfície: O processamento por feixe de iões baseia-se em efeitos de micro-força para o processamento de materiais, e a superfície processada não gera calor, tensão mecânica ou danos. O diâmetro do ponto do feixe de iões pode ser controlado dentro de 1 μm e a precisão do processamento pode atingir o nível nanométrico.
2. Vasta gama de materiais processáveis: Uma vez que o processamento ocorre sob condições de vácuo, é particularmente adequado para o processamento de metais facilmente oxidados, materiais de liga e materiais semicondutores de alta pureza.
3. Vários métodos de processamento: O processamento por feixe de iões pode ser utilizado para remoção, revestimento e implantação. Estes princípios de processamento podem gerar uma grande variedade de métodos específicos, como a modelação, a gravação, o desbaste e a exposição, que desempenham um papel extremamente importante no fabrico de circuitos integrados.
4. Bom desempenho e fácil automatização.
5. Vasta gama de aplicações: O diâmetro do ponto do feixe de iões e a densidade de energia do feixe de iões podem ser escolhidos de acordo com os requisitos de processamento para atingir diferentes objectivos de processamento. Por exemplo, um feixe de iões de pequeno diâmetro com uma elevada densidade de energia é utilizado para processos de remoção, enquanto um feixe de iões de grande diâmetro com uma densidade de energia inferior é adequado para revestimento e gravação. Um feixe de iões de grande diâmetro com fraca energia é utilizado para implantação.
6. O processamento por feixe de iões requer um conjunto completo de equipamento especializado e sistemas de vácuo, que são dispendiosos. Por conseguinte, a sua aplicação está sujeita a certas limitações.

Técnicas e aplicações de processamento de feixes de iões.

O âmbito de aplicação do processamento por feixe de iões está a expandir-se e a inovar continuamente. As principais técnicas de processamento por feixe de iões utilizadas para modificar o tamanho e as propriedades físicas e mecânicas da superfície das peças são o processamento de remoção por pulverização catódica com feixe de iões, o processamento de revestimento por pulverização catódica com feixe de iões, o processamento de modificação da superfície por injeção de feixe de iões e o processamento de exposição por projeção com feixe de iões, como mostra a Figura 1.1.

Processamento de remoção por pulverização catódica de feixes de iões.

O processamento de remoção por pulverização catódica por feixe de iões, também conhecido como processamento de remoção por feixe de iões, utiliza iões de árgon com uma gama de energia de 0,1-5 keV e um diâmetro de alguns nanómetros para bombardear a superfície da peça de trabalho. Quando a energia transmitida excede a força de ligação entre os átomos (ou moléculas) da superfície da peça de trabalho, os átomos (ou moléculas) da superfície do material são pulverizados um a um para atingir o objetivo do processamento. Trata-se de um método típico de processamento à escala atómica e molecular e de processamento de ultraprecisão.

As principais aplicações actuais são as seguintes: em primeiro lugar, a maquinagem de ranhuras em rolamentos de ar de giroscópios e motores aerostáticos, que têm alta resolução, boa precisão e repetibilidade consistente; em segundo lugar, a gravação de padrões de alta precisão, tais como circuitos integrados, dispositivos optoelectrónicos e dispositivos optoelectrónicos integrados; em terceiro lugar, o processamento de superfícies texturizadas não reflectoras de células solares; em quarto lugar, o desbaste de materiais para amostras de microscópio eletrónico de transmissão; e em quinto lugar, o processamento de ferramentas de diamante de cristal único, etc.

Processamento de revestimento por pulverização catódica de feixe iónico.

O processamento de revestimento por pulverização catódica com feixe de iões é um processo de deposição a nível atómico e molecular, por vezes referido como deposição por pulverização catódica com feixe de iões. Em condições de vácuo, utiliza iões de árgon com uma gama de energia de 0,1-5 keV para bombardear um material alvo, que ejecta átomos ou moléculas do alvo e os deposita na superfície da peça de trabalho. Por outro lado, as partículas neutras de alta velocidade também têm impacto na superfície da peça de trabalho para melhorar a adesão entre o revestimento e o substrato (até 10-20 MPa). Devido à considerável energia cinética dos átomos ou moléculas neutras pulverizadas, este revestimento tem uma maior aderência em comparação com métodos como a evaporação e a galvanoplastia. O revestimento é uniforme, denso e tem uma elevada eficiência.

O revestimento por feixe de iões pode ser aplicado a uma vasta gama de materiais, incluindo metais e não metais, para depositar películas finas de metal ou não metal nas suas superfícies. Pode ser utilizado para várias ligas, compostos, materiais sintéticos, materiais semicondutores e materiais com elevado ponto de fusão. As aplicações incluem: revestimento de películas lubrificantes, películas resistentes ao calor, películas resistentes ao desgaste, películas decorativas e películas eléctricas; substituição de cromagem dura para reduzir a poluição ambiental; aplicação de revestimento por feixe de iões em rolamentos de esferas de precisão para prolongar a sua vida útil em milhares de horas; deposição de revestimentos de TiN ou TiC com alguns micrómetros de espessura em ferramentas de corte para aumentar a sua vida útil em 3-10 vezes; deposição de uma camada de revestimento de metal precioso (como Pt, Au, Rh) em lâminas de liga de titânio para aumentar a vida à fadiga em 30% e melhorar a resistência à oxidação e à corrosão.

Processamento de injeção de feixes de iões.

O processamento por injeção de feixe de iões envolve a ionização dos elementos desejados a injetar, separando e acelerando os iões positivos num campo elétrico para formar um feixe de iões de alta energia de centenas de kiloelectrões-volt, que bombardeia a superfície da peça de trabalho. Devido à grande energia cinética dos iões, estes penetram na camada superficial, neutralizam as suas cargas e tornam-se átomos de substituição ou átomos intersticiais na rede, resultando em alterações na composição química, estrutura e propriedades do material. A injeção de iões pode ser utilizada para dopagem de materiais semicondutores, modificação de materiais metálicos e outros fins. As aplicações incluem: injeção de impurezas como o fósforo ou o boro no silício monocristalino para a produção de transístores, circuitos integrados, células solares, etc.; injeção de iões de oxigénio no ferro para formar Fe3O4, o que melhora a resistência aos ácidos; injeção de iões de azoto em ferramentas de corte de aço rápido para aumentar a sua vida útil; injeção de iões de nióbio no estanho para formar NbsO, resultando numa superfície supercondutora, etc.

Processamento da exposição a feixes de iões.

A exposição por feixe de iões tem as vantagens de uma elevada sensibilidade e resolução. Uma vez que a massa do ião é muito superior à dos electrões, provoca menos retrodifusão e efeitos de vizinhança no substrato, tornando-o capaz de expor microestruturas precisas com larguras de linha inferiores a 0,1 μm. Além disso, devido ao maior diâmetro e massa dos iões em comparação com os electrões, os iões encontram maior resistência depois de entrarem na resistência e têm um alcance mais curto dentro da resistência. Isto permite que a resistência absorva totalmente a energia do ião, resultando numa maior sensibilidade. As experiências demonstraram que, ao utilizar a resistência, a exposição ao feixe de iões tem uma sensibilidade superior em mais de uma ordem de grandeza à da exposição ao feixe de electrões, permitindo tempos de exposição significativamente mais curtos.