Технология обработки ионным пучком

Принципы обработки ионными лучами.

Ионно-лучевая обработка предполагает генерацию электронного пучка с помощью электронной пушки в условиях вакуума. Затем электронный пучок вводится в ионизационную камеру, откачанную и заполненную инертным газом. Инертный газ под низким давлением ионизируется, образующиеся положительные ионы извлекаются и подвергаются таким операциям, как ускорение и фокусировка. Наконец, ионы направляются на поверхность заготовки, и обработка материала происходит за счет микромеханического воздействия ионов.

Принципы обработки ионным пучком аналогичны принципам обработки электронным пучком, с той лишь разницей, что ионы несут положительный заряд и имеют массу в тысячи или десятки тысяч раз большую, чем электроны. Например, масса ионов аргона в 72 000 раз больше массы электронов. После разгона ионов до высоких скоростей ионный пучок обладает большей энергией воздействия по сравнению с электронным пучком. При обработке материалов ионным пучком используется энергия микромеханического удара, а не преобразование кинетической энергии в тепловую.

Наш завод занимается: твердосплавные детали, детали пресс-форм, медицинские пресс-формы для литья под давлением, прецизионные пресс-формы для литья под давлением, литье тефлона PFA, фитинги для труб PFA. e-mail: [email protected],whatsapp:+8613302615729.

Характеристики ионно-лучевой обработки.

Ионно-лучевая обработка является перспективным методом изготовления изделий атомного и молекулярного масштаба в микрофабрикации и прецизионном производстве. Его характеристики можно кратко описать следующим образом:

1. Высокая точность обработки и качество поверхности: Ионно-лучевая обработка основана на микросиловом воздействии на материал, при этом на обрабатываемой поверхности не возникает тепла, механических напряжений и повреждений. Диаметр пятна ионного пучка может регулироваться в пределах 1 мкм, а точность обработки достигает нанометрового уровня.
2. Широкий спектр обрабатываемых материалов: Поскольку обработка происходит в условиях вакуума, она особенно подходит для обработки легко окисляемых металлов, сплавов и высокочистых полупроводниковых материалов.
3. Различные методы обработки: Ионно-лучевая обработка может использоваться для удаления, нанесения покрытий и имплантации. Эти принципы обработки могут порождать широкий спектр специфических методов, таких как формообразование, травление, утонение и экспонирование, которые играют чрезвычайно важную роль при изготовлении интегральных схем.
4. Хорошая производительность и простота автоматизации.
5. Широкий диапазон применения: Диаметр пятна ионного пучка и плотность энергии ионного пучка могут быть выбраны в зависимости от требований к обработке для достижения различных целей обработки. Например, ионный пучок малого диаметра с высокой плотностью энергии используется для процессов удаления, а ионный пучок большого диаметра с меньшей плотностью энергии подходит для нанесения покрытий и травления. Ионный пучок большого диаметра со слабой энергией используется для имплантации.
6. Ионно-лучевая обработка требует полного комплекта специализированного оборудования и вакуумных систем, которые являются дорогостоящими. Поэтому ее применение связано с определенными ограничениями.

Методы и приложения обработки ионными пучками.

Область применения ионно-лучевой обработки расширяется и постоянно совершенствуется. Основными методами ионно-лучевой обработки, используемыми для модификации размеров и поверхностных физико-механических свойств деталей, являются обработка удаления ионным пучком, обработка нанесения покрытий ионным пучком, обработка модификации поверхности инжекцией ионного пучка и обработка проекционным воздействием ионного пучка, как показано на рис. 1.1.

Обработка удаляемых материалов ионно-лучевым напылением.

Ионно-лучевая обработка с распылением, известная также как ионно-лучевая обработка, использует для бомбардировки поверхности заготовки ионы аргона с энергией в диапазоне 0,1-5 кэВ и диаметром в несколько нанометров. Когда передаваемая энергия превышает силу сцепления между поверхностными атомами (или молекулами) заготовки, атомы (или молекулы) на поверхности материала распыляются один за другим для достижения цели обработки. Это типичный метод атомно-молекулярной и сверхточной обработки.

В настоящее время основными областями применения являются: во-первых, обработка канавок на воздушных подшипниках гироскопов и аэростатических двигателей, обладающих высоким разрешением, высокой точностью и постоянной повторяемостью; во-вторых, травление высокоточных деталей интегральных схем, оптоэлектронных приборов и оптоэлектронных интегральных устройств; в-третьих, обработка неотражающих текстурированных поверхностей солнечных элементов; в-четвертых, утонение материалов для образцов просвечивающего электронного микроскопа; в-пятых, обработка монокристаллических алмазных инструментов и др.

Обработка покрытий ионно-лучевым напылением.

Ионно-лучевая обработка покрытий - это процесс осаждения на атомном и молекулярном уровне, иногда называемый осаждением с помощью ионного пучка. В условиях вакуума ионы аргона с энергией в диапазоне 0,1-5 кэВ бомбардируют материал мишени, в результате чего атомы или молекулы выбрасываются из мишени и осаждаются на поверхность заготовки. С другой стороны, высокоскоростные нейтральные частицы также воздействуют на поверхность заготовки для повышения адгезии между покрытием и подложкой (до 10-20 МПа). Благодаря значительной кинетической энергии распыленных нейтральных атомов или молекул такое покрытие обладает более высокой адгезией по сравнению с такими методами, как испарение и гальваника. Покрытие получается однородным, плотным и обладает высокой эффективностью.

Ионно-лучевое покрытие может применяться к широкому спектру материалов, включая металлы и неметаллы, для осаждения на их поверхности металлических или неметаллических тонких пленок. Оно может применяться для различных сплавов, соединений, синтетических материалов, полупроводниковых материалов и материалов с высокой температурой плавления. Области применения: нанесение смазочных, жаростойких, износостойких, декоративных и электротехнических пленок; замена твердого хромирования для снижения загрязнения окружающей среды; нанесение ионно-лучевого покрытия на прецизионные шарикоподшипники для увеличения срока службы на тысячи часов; нанесение покрытий TiN или TiC толщиной несколько микрометров на режущие инструменты для увеличения их срока службы в 3-10 раз; нанесение слоя покрытия из драгоценных металлов (Pt, Au, Rh) на лопатки из титановых сплавов для увеличения усталостной прочности на 30% и повышения стойкости к окислению и коррозии.

Инжекционная обработка ионным пучком.

Инжекционная обработка ионным пучком включает в себя ионизацию необходимых для инжекции элементов, разделение и ускорение положительных ионов в электрическом поле с образованием высокоэнергетического ионного пучка напряжением в сотни килоэлектронвольт, который бомбардирует поверхность заготовки. Благодаря большой кинетической энергии ионы проникают в поверхностный слой, нейтрализуют свои заряды и превращаются в атомы-заместители или междоузельные атомы в решетке, что приводит к изменению химического состава, структуры и свойств материала. Ионная инжекция может быть использована для легирования полупроводниковых материалов, модификации металлических материалов и других целей. Среди них: введение примесей фосфора и бора в монокристаллический кремний для производства транзисторов, интегральных схем, солнечных батарей и т.д.; введение ионов кислорода в железо с образованием Fe3O4, повышающего кислотостойкость; введение ионов азота в режущие инструменты из быстрорежущей стали для увеличения срока их службы; введение ионов ниобия в олово с образованием NbsO, что приводит к образованию сверхпроводящей поверхности, и т.д.

Обработка воздействия ионного пучка.

Преимущества ионного облучения заключаются в высокой чувствительности и разрешении. Поскольку масса ионов значительно больше массы электронов, они вызывают меньшее обратное рассеяние и соседние эффекты на подложке, что позволяет экспонировать точные микроструктуры с шириной линии менее 0,1 мкм. Кроме того, из-за большего диаметра и массы ионов по сравнению с электронами ионы встречают большее сопротивление после входа в резист и имеют меньший радиус действия внутри резиста. Это позволяет резисту полностью поглотить энергию ионов, что приводит к повышению чувствительности. Эксперименты показали, что при использовании резиста чувствительность ионного пучка более чем на порядок выше, чем у электронного пучка, что позволяет значительно сократить время экспозиции.