Електронно-іонні технології

ЕЛЕКТРО́ННО-ІО́ННІ ТЕХНОЛО́ГІЇ  — комплекс способів впливу енергетичних потоків електронів, іонів, плазми на оброблювані матеріали з метою зміни їх фізико-механічних властивостей. Використання потоків заряджених частинок дозволяє здійснювати низку технол. процесів, зокрема нагрівання, плавлення, зварювання, випаровування, розмірне оброблення та літографію, розпилення, травлення і очищення різних матеріалів.

Електронно-променеве нагрівання. Електронно-променевий вплив на матеріали, який призводить до їх нагрівання, плавлення і випаровування, є важливим технол. інструментом для вирішення багатьох приклад. завдань. Його сутність полягає в тому, що кінет. енергія пучка (безперерв. або імпульс.) розігнаних до великої швидкості вільних електронів, сформов. у вакуумі (не нижче 1,3х10^-2 Па) тим чи ін. способом, у тонкому поверхневому шарі оброблюв. виробу при різкому гальмуванні перетворюється в основному на теплову. Електрони пучка втрачають свою енергію поступово, проникаючи в шар речовини, що нагрівається. Осн. гальмування електронів здійснюється наприкінці пробігу, тобто температура досягає максимуму на деякій відстані від поверхні. Глибина їх проникнення залежить від атом. маси та густини речовини, а також від величини використаного прискорювал. напруження. Для прискорювал. напружень 20÷40 кВ глибина проникнення в метал складає від декількох часток до одиниць мікрометра. Таким чином, під час нагрівання електрон. пучком джерело тепла знаходиться в самому тілі матеріалу, що нагрівається. Діапазони щільності потужності енергії в промені настільки великі (q = 10÷108 Вт/см²), що дозволяють виконувати всі види терміч. впливу на матеріали. Нагрівання без плавлення відбувається при q < 104 Вт/см², плавлення — при q = 104÷106 Вт/см², випаровування — при q = 105÷ 107 Вт/см², зварювання — при q = 106÷108 Вт/см², розмірне оброблення (гостросфокус. потоками електронів) — при q > 5 х 108 Вт/см². Відхилення потоку електронів у магніт. полі здійснюється практично безінертно, що дає можливість переміщувати електрон. промінь заданими склад. траєкторіями з використанням блоку розкручування. Вперше плавлення металу електрон. променем виконав 1879 англ. фізико-хімік В. Крукс. Він розплавив платин. анод у катод. трубі. На поч. 20 ст. у простій електронно-променевій печі невеликі зливки чистого танталу та ін. металів отримав нім. фізик М.-С. Пірані (1907 йому видано патент на цей винахід). Подальший розвиток способу отримання металів високої чистоти електронно-променевим плавленням гальмувався відсутністю потуж. вакуум. насосів, відповід. пристроїв формування потоків прискорених вільних електронів (електрон. гармат), а також незнач. попитом на особливо чисті метали та сплави на їх основі. Фактич. перехід від лаборатор. застосування електронно-променевого нагрівання для плавлення та рафінування металів до пром. здійснено наприкінці 1950-х — на поч. 1960-х рр. За типом використовуваного джерела електронів розрізняють електронні гармати з розжареними та холод. катодами. Нині найрозповсюдженішими у промисловості є гармати з термоелектрон. катодом, які в свою чергу поділяються на кільцеві, аксіальні та лінійні. Кільцеві гармати, розроблені фірмою «Стауфер» (США), вміщують побл. кільцевого катода та фокусуючого електрода прискорювал. анод з кільцевою щілиною для проходження електронів. Аксіал. гармати, розроблені нім. фірмами «М. Арденне» і «Лейбольд–Ґереус», бувають багатокамер. і однокамерними. Відповідно спіл. для них є наявність масив. катода, що має вигляд вольфрам. або тантал. шайби, яка встановлена у центрі фокусуючого електрода та опосередковано підігрівається електрон. бомбардуванням, а також водоохолоджуваного прискорювал. анода з центр. отвором для проходження електрон. променя, променевого провідника — водоохолоджуваної труби з системою електромагніт. лінз для фокусування та відхилення електрон. променя і виступів диференцій. відкачування. Початк. формування електрон. променя та прискорення електронів здійснюють за допомогою вісесиметр. системи Пірса. Існують лінійні гармати, створ. в Інституті електрозварювання НАНУ (Київ), які дозволяють відхиляти пучок до 45^о–60^о та розрах. для розміщення над нагрів. поверхнею і побл. неї, та фірмами «Стауфер» і «Темескал» (США), які дозволяють відхиляти пучок до 180^о–270^о і розрах. для встановлення нижче і побл. нагрів. поверхні. Особливістю ліній. гармат є те, що вони формують плаский, слаборозбіж. електрон. промінь і не потребують електромагніт. фокусування пучка. Відхил. котушки розташ. у порожнині водоохлоджуваної основи гармати. Як прямонакал. прямоліній. катод використовують вольфрам. дріт або стрічку. У конструюванні електронно-променевих систем найбільший інтерес становлять газорозрядні електронні гармати з холод. катодом на основі високовольт. тліючого розряду. Робота таких пристроїв ґрунтується на вилученні електрон. пучка визначеного розряду, який запалюється між водоохолоджуваним алюмінієвим катодом зі сферич. робочою поверхнею й порожнистим анодом. Високовольт. тліючий розряд для створення таких гармат почали використовувати на поч. 1970-х рр. В Україні дослідж. у цій галузі розпочато в Інституті електрозварювання АН УРСР і Київ. політех. інституті, а згодом продовжено в Харків. фіз.-тех. інституті та Дніпроп. металург. інституті. У РФ роботи в цьому напрямі запровадили у Всесоюз. електротех. інституті (Москва) і Томському інституті високоточ. електроніки. Аксіал. гармати з термокатодами для плавлення металів випускають потуж. від 60 до 250 кВт (напруга 20–30 кВ). Потуж. ліній. гармат з кутом відхилення до 45^о–60^о варіює від 15 до 150 кВт при швидкіс. напрузі 15–20 кВ, з кутом відхилення 180^о–270^о — 400 кВт. Ліній. гарматами здійснюють переплавлення, випаровування і термооброблення різних матеріалів. Низковольтні (20–30 кВ), з проміж. прискорювал. напругою (40–60 кВ) і високовольтні (80–150 кВ) аксіал. гармати використовують для зварювал. процесів. Модел. ряд газорозряд. електрон. гармат включає пристрої потуж. від 5–10 до 450 кВт, які функціонують в діапазоні робочого тиску водню в міжелектрод. просторі 0,1–10 Па. Можливе застосування повітря, азоту, інерт. газів. Проте потужність при цьому знижується у понад 2 рази.

Іонне розпилення матеріалів. Іонне розпилення — це процес кінет. вибивання атомів з поверхні твердого тіла (мішені) внаслідок передачі імпульсів енергії прискорених іонів атомам розпилюваного матеріалу. При кінет. енергіях, які перевищують енергію зв’язку атомів у кристаліч. решітці, бомбардування іонами викликає руйнування приповерхневого шару та перехід атомів у парову фазу. Середня енергія розпилених атомів (1–10 еВ) значно перевищує кінет. енергію випаруваних атомів (0,3 еВ). Глибина проникнення іонів не перевищує декількох атом. шарів кристаліч. решітки. Для отримання іонів застосовують різні розпилювал. системи, які поділяються залежно від способу отримання вільних іонів на іонно-плазмові й іонно-променеві. Класична схема іонно-плазмового розпилення — діодна. Вона складається із двох пласких електродів, які розташ. паралельно та віддалені один від одного на 5–15 см. Катодом є мішень з розпилюваного матеріалу. Він електрично ізольований і поєднаний з негатив. полюсом високовольт. випрямляча. Анод (підкладкотримач) зазвичай знаходиться під потенціалом Землі. Перед напусканням робочого газу (здебільшого аргону) під час іонно-плазм. розпилення на катод подають потенціал 2–5 кВ, робочу камеру попередньо вакуумують до 10^-3 Па. При визначеній напрузі, яка залежить від геометрії електродів, відстані між ними і тиску поданого газу, відбувається пробій, внаслідок якого в газі збуджується тліючий розряд постій. струму. Позитивні іони, прискорені в прикатод. ділянці, бомбардують та розпилюють поверхність катоду. Потік розпилених атомів матеріалу мішені осаджується на підкладках у вигляді тонких плівок. Зазвичай розряд підтримують в інерт. робочому газі (аргоні) при тиску 10–100 Па та напрузі на розряд. проміжку 100–1000 В. Незначні швидкості осаджування (0,01 мкм/хв.), обумовлені низькою щільністю іонного струму на катоді, та невисокий вакуум обмежують використанням даної схеми. Крім того, емітовані катодом і прискорені в електр. полі електрони інтенсивно бомбардують анод і розміщені на ньому підкладки та спричиняють їх перегрівання і радіац. дефекти в структурах. Для зниження тиску робочого газу та забезпечення стійкого горіння розряду при цих умовах в тріод. системі застосовують додатк. термокатод і анод. Зокрема в аргоні між ними збуджується низьковольт. розряд (50–100 В). Емітовані термокатодом електрони, прискорюючись при русі до аноду, іонізують атоми робочого газу та забезпечують горіння розряду при тиску 0,1–1,0 Па. Невелике поздовжнє магнітне поле (25 Е) підтримує спрямованість потоку електронів і підвищує ймовірність іонізації атомів аргону. Під час подачі від’єм. потенціалу (2–5 кВ) на мішень (розташ. напроти підкладки вздовж плазм. стовпа розряду) від індивід. джерела поверхню матеріалу піддають інтенсив. бомбардуванню позитив. іонами. Розпилені атоми мішені перед конденсацією перетинають зону розряду і осаджуються у вигляді тонких плівок на підкладках. При додаванні реакційноздат. газів у робочий газ на підкладках можливе синтезування хім. сполук. Для розпилення діелектриків використовують високочастотні розпилювал. системи. У випадку зміни полярності напруги на непровід. мішенях і нейтралізації поверхневого заряду на них електронами плазми відбувається почерг. розпилення таких матеріалів. У іонно-променевих системах іонний потік генерується автоном. іонним джерелом. Як правило, у його іонізац. камері розміщені термокатод і допоміж. електрод для запалювання розряду. Через отвір у діафрагмі іони витягуються із розряду в робочу камеру в напрямку до мішені. Для ефектив. транспортування іонного променя з джерела до мішені необхідно компенсувати простор. заряд іонів. З цією метою зазвичай застосовують допоміж. розжарений катод, що емітує електрони в іонний потік. Струм іонів на мішень і їх енергія регулюються незалежно всередині самого іонного джерела. Атоми розпилюваної мішені рухаються у високому вакуумі й осаджуються на підкладках. У серед. 1970-х рр. розроблено ефективніші системи іонного розпилення — магнетронні. Зберігаючи простоту діод. схеми, магнетрони забезпечують високі швидкості осадження, працездатність у широкому інтервалі тисків від 10^-2 до 1,0 Па та мін. вплив заряджених частинок розряду на підкладку і структуру осаджуваних покриттів. У магнетрон. пристроях використовують схрещені електр. і магнітні поля. Поперечне магнітне поле побл. поверхні мішені впливає на плазму розряду та локалізує її у цій зоні. Силові лінії магніт. поля, які створюються зазвичай постій. магнітами, замикаючись між їх полюсами, перетинаються з лініями електр. поля. Ця властивість й стала причиною назви, даної раніше групі електровакуум. пристроїв, принцип дії яких також полягає у гальмуванні електронів у схрещених електр. і магніт. полях.Зокрема у магнетрон. системах під час подачі напруги між водоохолоджуваними катодом (мішень) і анодом при тиску робочого газу в діапазоні (1,3–6,6)х10^-1 Па запалюється аномал. тліючий розряд. У свою чергу іони розряду, бомбардуючи катод, спричиняють емісію електронів. Останні при одночас. дії електр. і магніт. полів змінюють траєкторію свого руху. Електрони, емітовані катодом і утворені в результаті процесів іонізації, під дією замкненого магніт. поля локалізуються безпосередньо над поверхнею розпилюваного матеріалу. Вони потрапляють ніби в пастку: з одного боку, магнітне поле повертає їх на катод, з ін. — електр. поле катода відштовхує в на- прямку до анода. У цих умовах електрони рухаються склад. циклоїдал. траєкторіями побл. поверхні катода. Кількість зіткнень їх з молекулами робочого газу (аргону) і, відповідно, іонізація у зоні магніт. пастки істотно збільшиться. Таким чином, за рахунок локалізації плазми у прикатод. просторі вдається досягти значно більші щільності іонного струму при менших робочих тисках. Інтенсивність бомбардування мішені іонами плазми при цьому значно збільшується, що призводить до пришвидшення розпилення катода та, відповідно, нанесення шарів на підкладки (1 мкм/хв. і вище). Системат. дослідж. електр. розряду в магніт. полі одним із перших почав виконувати нідерланд. фізик Ф. Пеннінґ (1894-1953). Ним здійснено ґрунт. вивчення розряду в циліндрич. оберненому магнетроні та в електрод. комірці. У подальшому дослідж. в цьому напрямі були продовжені багатьма вченими практично усіх промислово розвинених країн. Магнетронні пристрої належать до низьковольт. систем іонного розпилення. Напруга джерела живлення постій. струму не перевищує 1000–1500 В, напруга розряду складає 400–800 В. Показники індукції магніт. поля побл. поверхні катода є відносно незначними — до 0,1 Т. Магнітні системи можуть бути збалансованими і незбалансованими. Вони конструюються з використанням соленоїдів або постій. магнітів з феритів і сплавів Sm–Co, Nd–Fe–B. Залежно від геометрії катода магнетронні розпилювал. системи поділяються на пласкі, циліндричні, конічні та напівсферичні. Серед найрозповсюдженіших — магнетрони з пласкими катодами. Для магнетрон. систем використовують розряди постій. струму високої частоти й імпульсні режими. Останні зменшують теплове навантаження на підкладку та мішень, істотно збільшують щільність розряд. струму і підвищують ступінь іонізації розпиленої речовини. Нині магнетрон. розпилювал. системам надають перевагу у технологіях тонкошар. покриттів із різноманіт. матеріалів для мікроелектроніки, приладів запису інформації, елементів оптич. і квантово-оптич. техніки, для нанесення функціонал. покриттів на пласкі екрани дисплеїв і архіт. скло, дріт, трубки, волокна, рулонні матеріали з полімер. плівок, паперу і тканин. Процеси іонного розпилення широко застосовують також для травлення і очищення матеріалів. Є іонно-плазм. і іонно-променеве травлення. У їх основі лежить механізм фіз. розпилення матеріалів енергет. іонами інерт. газів або іонами, які хімічно не реагують з оброблюв. матеріалом. Для іонного очищення поверхні матеріалів зазвичай використовують іони з енергією в діапазоні від 20 до 100 еВ, для іонного травлення — від 100 до 1000 еВ. Підвищення енергії іонів у діапазоні від 20 до 450 кеВ дозволяє здійснювати іонне легування матеріалів з метою модифікації властивостей їх поверхневих шарів. Метод іонного легування є особливо ефектив. для оброблення багатокомпонент. матеріалів напівпровідник. електроніки. У зв’язку з цим розроблено лабораторні та пром. іонно-променеві установки легування.

Вакуумно-дугове випаровування. Для випаровування різноманіт. електропровід. матеріалів використовують вакуумну дугу — сильнострум. низьковольт. розряд, який реалізується у вакуумі в системі катод–анод і розвивається в парах матеріалу випаровуваного електрода. Вперше спосіб осаджування метал. покриттів за допомогою дугового розряду у вакуумі описано наприкінці 19 ст. амер. винахідниками А. Райтом і Т. Едісоном. У 1960–70-х рр. вакуумно-дуговий метод осаджування покриттів із плазми матеріалів електродів отримав подальший розвиток у працях вчених Харків. фіз.-тех. інституту та Моск. вищого тех. училища ім. М. Баумана. Стабіл. горіння дугового розряду підтримується неперерв. випаровуванням матеріалу електрода, зокрема катода, який може бути охолодженим або гарячим. У першому випадку дуга горить у вигляді окремих катод. плям, які переміщуються інтегрально робочою поверхнею холод. катода зі швидкістю до 102 м/сек. Діаметри плям не перевищують зазвичай декількох мікрометрів (максимум до 10–50 мкм), щільність струму в них становить 106–107 А/см², а їх кількість пропорц. струму розряду. Щільність потужності в мікроплямах досягає 107–108 Вт/см², що і зумовлює перебіг локал. процесів електр. ерозії катода. У випадку застосування гарячого катода дуга горить на всій його поверхні, а температура може наближуватися до температури плавлення матеріалів. Катодні плями є дуже важливим явищем у вакуум. дугах. Їх вивченню присвячено низку публікацій у наук. журналах. Вони існують у вигляді яскраво сяючих цяток, які швидко переміщуються робочою поверхнею катода. Одною із специф. особливостей катод. плям вакуум. дуги є ефект їх руху в попереч. магніт. полі у напрямку, який протилежний зазначеному правилом Ампера. Швидкість зворот. руху катод. плям немонотонно збільшується зі зростанням індукції магніт. поля.

Ін. особливістю вакуум. дуги є ефект випускання з ділянки катод. мікроплям високошвидкіс. струменів плазми, які складаються із продуктів ерозії матеріалу катода, швидкість яких досягає 104 м/сек. Кожна катодна пляма містить в собі ділянки емітування електронів і атомів та ділянку катод. падіння потенціалу, в якій зосередж. позитив. простор. заряд і найяскравіша частина — місце іонізації. Продукти ерозії катода включають парову, іоніз. і мікрокрапел. фази. Кожна з них характеризується різними швидкостями розльоту. Наявність мікрочастинок еродуючого матеріалу катода в конденсовуваних потоках плазми вакуум. дуги знижує якість отриманих покриттів. Перспектив. шляхами усунення мікрокрапел. фази у плазм. потоках є: 1) використання для виготовлення катодів чистих знегажених щільних матеріалів, отриманих різноманіт. рафінувал. металург. методами; 2) використання способів швидкого керованого переміщення катод. мікроплям поверхнею катодів за допомогою зовн. магніт. поля; 3) відхилення плазм. струменя від осі за допомогою електромагніт. криволіній. фільтра; 4) використання екранувал. пристроїв «шеврон.» типу для запобігання прямого попадання крапел. фази на підкладку; 5) випаровування крапел. фази в просторі між вихід. торцем вакуумно-дугового джерела і підкладкою. У катод. струменях ступінь іонізації залежить від матеріалу катода. Для легковипаровув. металів (Zn, Cd) вона становить 10–25 %, для металів з відносно високою т-рою кипіння (Cu, Ag, Mg, Ti) може досягати 50–100 %. Причому в потоці плазми матеріалів з високою т-рою кипіння окрім однозаряд. наявні також двох.- і навіть трьохзарядні іони. Середня енергія прискорених іонів залежно від виду матеріалу катода змінюється від одиниць до декількох десятків електронвольт, до того ж у потоці містяться іони, енергія яких у 2–3 рази перевищує напругу, прикладену до розряду. Цей ефект дозволяє відбирати з плазми вакуум. дуги аномально високі іонні струми (до 10 % від повного струму дуги). Іонізов. паровий потік випаровуваного матеріалу може вступати в інтенсивні хім. взаємодії з робочими газами, що дозволяє формувати покриття з оксидів, нітридів, карбідів, оксинітридів та ін. сполук на поверхні підкладок. Регулюючи парціал. тиск реакцій. газів у робочій камері, можна отримувати зазначені сполуки різними ступенями стехіометрії. Це дозволяє наносити як провідні, так і ізолюючі шари в одному технол. циклі. Подаючи потенціал на підкладку, можна регулювати енергію осаджуваних частинок плазм. потоку. При досить великій енергії вони проникають у приповерхневі шари матеріалу під- кладки та забезпечують високі адгезійні властивості покриття. Очищення поверхні та нагрівання виробів перед нанесенням покриття здійснюють за рахунок іонного бомбардування матеріалом катода. Нині у промисловості найчастіше використовують вакуумно-дуговий торцевий випаровувач. Для нанесення функціонал. покриттів на довгомірні та великогабаритні вироби розроблено протяжні циліндр. катодно-дугові випаровувачі з радіально розбіж. плазм. потоком. Існують також протяжні катодно-дугові випаровувачі з катодами планар. типу. Вакуумно-дуговими випаровувачами в машинобудуванні здіснюють нанесення зносостій. покриттів на робочі поверхні різал. і штамп. інструментів, деталей авіац. і автомобіл. двигунів, шахт. і полігр. устаткування. На базі вакуумно-дугових випаровувачів розроблено низку іонно-плазм. установок, зокрема «Булат» (Харків. фіз.-тех. інститут), «ННВ» (Саратов. і Новосибір. заводи електротерм. устаткування, обидва — РФ), «Пуск» (Моск. тех. університет; НДІ технології автомобіл. промисловості, Москва), ВУ-2МБС, ВУ-1100Д (Сморгон. завод оптич. верстатобудування, Білорусь). Пром. установки для вакуумно-дугового випаровування також випускають фірми «Balzers» (Ліхтенштейн), «Multi-Arc Vacuum Systems» (США), «Ulvac» (Японія), «Hauzer Techno Coatings» (Нідерланди). Е.-і. т. реалізуються у переваж. більшості галузей сучас. техніки завдяки можливості регулювання в широкому діапазоні енергії потоків заряджених частинок. Їм притаманні висока точність і відтворюваність результатів, мала інерційність керування енергет. потоками, екол. чистота.

Завантажити статтю