книги / Электронно-лучевая обработка в сварке

по отношению к камере. С той же целью можно прикладывать положительный потенциал (порядка 5 кВ) к плазме через цепь катода. Изменяя потенциал на извлекающем электроде относительно заземленного корпуса (0…150 В), оптимизируют условия извлечения и формирования потока ионов. Энергия ионов, выходящих из источника, определяется разностью потенциалов между ускоряющим электродом и плазмой.

Отечественной промышленностью выпускаются установки для ионного легирования различных типов: ИЛУ, «Везувий», «Иолла», «Лада» и др.

Общей характеристикой установок класса ИЛУ СИЛУ-100, ИЛУ-200, ИЛУ-2, ИЛУ-3 и ИЛУ-43 является использование в них электромагнитного сепаратора и двойного ускорения ионов. Энергия ионов регулируется в диапазоне 20...100 кэВ. Ускорители класса ИЛУ – это крупногабаритные установки. Например, для размещения ускорителя ИЛУ-4 требуется площадь 57 м2.

Большим разнообразием характеристик обладают установки типа «Везувий». Часть из них имеет электромагнитный сепаратор, в других используется постоянный магнит. В установке «Везувий- 1» можно разделять ионы с массовыми числами в диапазоне 1...120 а.е.м. Максимальная сила ионного тока равна 200 мкА для ионов фосфора и 20 мкА – для ионов бора.

Для легирования полупроводниковых материалов ионами бора и фосфора в производственных условиях целесообразно использовать малогабаритный ускоритель «Везувий-2». В нем имеются два дуговых источника ионов с прямонакальными катодами и поперечным магнитным полем, создаваемым магнитной системой самого сепаратора. Источники ионов бора и фосфора работают поочередно. В каждом из них смонтирован резистивный термокатод. Нагрев рабочих веществ до температуры 400 °С производят в тигле. Вытягивающий электрод, находящийся под напряжением 10...20 кВ, соединен с электродной системой масс-сепаратора. Энергию ионов можно регулировать в диапазоне 20...200 кэВ; сила тока на мишени ионов фосфора равна 200 мкА, а ионов бора – 20 мкА.

71

Ещё один класс ускорителей носит общее название «Иолла». У полуавтомата «Иолла-2» средняя плотность ионов бора составляет 2…3 мкА/мм2, ионов фосфора – 10 мкА/мм2 при обрабатываемой площади 2,25 см2. Без разгерметизации шлюзовой системы можно обрабатывать до 20 образцов размером 15×15 мм с автоматической их сменой. Отсчёт дозы вводимой примеси осуществляется интегратором. Энергию ионов можно регулировать в диапазоне 10…70 кэВ. Потребляемая всей установкой мощность не более

6 кВт; площадь, необходимая для её размещения с учетом проходов, – 5 м2.

5.2.Ионно-лучевые методы осаждения покрытий

иионная литография

Тонкие и толстые пленки и покрытия с воспроизводимыми и заранее заданными свойствами можно получать в условиях высокого вакуума осаждением из сепарированных ионных пучков. Этот метод успешно осваивается в настоящее время промышленностью.

Осаждение тонких пленок из сепарированных ионных пучков – самый «чистый» способ, хотя его производительность и невелика. Для микро- и оптоэлектроники, функциональной электроники возможность получения строго контролируемых по составу, практически беспримесных, однородных по структуре тонких пленок открывает новые перспективы создания устройств с уникальными эксплуатационными характеристиками.

Данный метод заключается в создании потока ионов определенного вида и энергии и осаждении их на выбранной подложке. Осаждение производится в сверхвысоковакуумной камере, поэтому в пленках отсутствуют включения атомов инертных газов, свойственные плазменным методам. Сепарация ионов по отношениям их массы к заряду исключает из состава пучка ионов посторонние примеси, в том числе ионы материалов электродов ионного источника. Если в широко распространенных для наращивания пленок плазменных методов ионы, попадающие на подложку, имеют рас-

72

пределение по энергиям от нуля до нескольких килоэлектрон-вольт, то в этом методе их энергетический диапазон очень узок. Чтобы исключить распыление наносимой пленки и обеспечить оптимальные условия ее роста, необходимо вести осаждение при относительно малых энергиях ионов. Например, рост пленок хрома осуществляется при энергии менее 500 эВ. Известно, что межфазные образования и кинетика роста пленки определяются кинетической энергией ионов, попадающих на подложку. Поэтому, регулируя энергию ионного потока, можно эффективно управлять процессом роста и качеством пленки.

При термическом методе вакуумного напыления покрытий конденсирующиеся атомы имеют энергию, не превышающую 0,3 эВ. Для активации протекающих в ходе конденсации процессов обычно нагревают подложку. Её температура является одним из основных параметров, определяющих структуру пленки и адгезию её к подложке. Для получения высококачественных пленок абсолютная температура подложки составляет 0,3…0,5 от температуры плавления осаждаемого материала [4, 5, 10].

В ионном пучке энергия частиц значительно выше, что позволяет получать пленки с хорошей адгезией на неподогреваемых подложках. Процессы конденсации в сравниваемых методах отличаются уже на первых стадиях (образования зародышей). Размеры зародышей в случае ионного осаждения меньше, а их количество на единице поверхности больше. Сплошность плёнки достигается при меньших толщинах.

Однако этому методу присущи и недостатки. Так, продолжительность осаждения плёнок заметно превышает время всех других известных процессов нанесения покрытий. Сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость в обеспечении сверхвысокого вакуума врабочейкамере– всёэтоограничивает применениеметода.

На рост гомо- и гетероэпитаксиальных плёнок влияют такие факторы, как энергия ионов, ориентация поверхности подложки, распределение плотности тока по сечению пучка, состав остаточного газа и температура поверхности подложки. Исследования процесса роста плёнок методом просвечивающей электронной микро-

73

скопии, а также свойств плёнок с помощью масс-спектрометра вторичных ионов позволили сделать следующие выводы. Слипание и образование островков серебра и цинка как стадии начала роста зависят от плотности дислокаций на подложке. Плотность дислокаций становится высокой, когда осаждение происходит при относительно большой энергии ионов или же когда оно проводится на плоскость с плотной упаковкой.

Ионы с большой кинетической энергией формируют глубокий диффузионный слой. Это же явление наблюдается и для плоскостей с плотной упаковкой. Образование глубоких диффузионных слоев можно объяснить переносом осажденного материала через дислокационные ядра или точечные дефекты. По сравнению с другими методами нанесения плёнок осаждение из сепарированного потока характеризуется малыми скоростями процесса.

Вкачестве примеров подобных процессов можно назвать ион- но-лучевое осаждение различных материалов со скоростями порядка единиц и десятков нанометров в секунду. Так, алмазоподобные углеродные пленки выращивали со скоростью 5 нм/с на монокристаллических подложках кремния, а также на пластинах из нержавеющей стали и стекла.

Из плазмы тетраметилолова плёнки β-олова со скоростью роста 10 нм/с.

Впроцессе осаждения ионов хрома с энергией 250 эВ за 7 мин получена хромовая пленка толщиной 78 нм. По расчетам же эта толщина должна была равняться 329 нм, поэтому сделан вывод, что коэффициент конденсации хрома в данном режиме не превыша-

ет 24 %.

Пленки пермаллоя толщиной 25 нм выращиваются в течение 2 ч при относительно малых плотностях ионного тока.

Для микроэлектронных устройств освоены процессы эпитаксиального ионно-лучевого выращивания пленок кремния и арсенида галлия.

Весьма перспективно использование в качестве исходных материалов различных металлоорганических соединений, например

74

тетраэтоксилана (С2Н5О)4Si, тетрабутокситана (С4Н9О)4Ti и триизопропоксиалюминия (С2Н5О)3Al.

Ионная литография. Развитие микроэлектроники требует разработки методов формирования элементов интегральных схем с размерами меньше одного миллиметра. Такие методы являются основой нового направления субмикронной технологии, т.е. технологии создания устройств с высокой плотнотстью элементов, имеющих размеры до 0,1 мкм. Литография с использованием электронного пучка практически не может удовлетворять этим требованиям из-за сильного отражения электронов от границы резист-подложки, приводящего к размытию экспонируемой линии, а также из-за низкой чувствительности и плохого контраста электронных резистов, что связано с увеличением времени экспозиции.

Указанные недостатки могут быть устранены при использовании для экспонирования ионных пучков. Процесс формирования рисунка в слое резиста с помощью ионных пучков получил название «ионная литография».

Как известно, благодаря большой массе быстрые ионы при движении в плёнке резиста рассеиваются на значительно меньший угол, чем электроны. Если длину пробега ионов выбрать примерно равной толщине плёнки резиста, рассеяние ионов границей между резистом и подложкой будет пренебрежимо мало и откроются возможности получения экспонированных объектов с субмикронными размерами.

Передача энергии при столкновениях ионов с молекулами резистов более эффективна, поэтому контрастно-чувствительные характеристики одних и тех же резистов при ионной бомбардировке будут выше, чем при электронной. Следовательно, можно повысить производительность процесса ионной литографии по сравнению с электронной.

На пути же практической реализации принципов ионной литографии встречаются серьёзные трудности, связанные с созданием источников тяжёлых ионов с высокой яркостью, а также быстродействующей системыуправления иформирования ионного пучка[6].

75

CПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. – М.: Наука, 1984. – 315 с.

2.Башенко В.В. Электронно-лучевые установки. – Л.: Машиностроение, 1972. – 276 с.

3.Действие излучений большой мощности на металлы / С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходько. – М.:

Наука, 1970. – 272 с.

4.Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.

5.Лазеры технологии / под ред. М.Ф. Стельмаха. – М.: Энер-

гия, 1975. – 218 с.

6.Леонтьев П.А., Хан М.Г., Чеканова Н.Т. Лазерная поверхностная обработка металловисплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 142 с.

7.Попов В.Ф. Ионно-лучевые установки. – Л.: Энергия, 1981. –

244 с.

8.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронноионнойтехнологии: учеб. пособиедлявузов. – М.: Наука, 1970. – 272 с.

9.Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. – М.: Машиносроение, 1975. – 296 с.

10.Справочник по технологии лазерной обработки / под общ. ред. В.С. Коваленко. – Киев: Техника, 1985. – 167 с.

11.Шиллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электронно-лучевая техноология / пер. с нем. – М.: Энергия, 1980. – 528 с.

12.Электронно-лучевая сварка / Г.М. Младенов, Д.Н. Трушни-

ков, В.Я. Беленькии,̆Е.Г. Колева. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 374 с.

13. Электронно-лучевая сварка / О.К. Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко [и др.]; под ред. Б.Е. Патона. – Киев: Наукова думка, 1987. – 256 с.

76

Учебное издание

Беленький Владимир Яковлевич, Саломатова Екатерина Сергеевна, Ольшанская Татьяна Васильевна, Федосеева Елена Михайловна, Трушников Дмитрий Николаевич,

Белинин Дмитрий Сергеевич

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА В СВАРКЕ

Учебное пособие

Редактор и корректор М.А. Шемякина

Подписано в печать 08.11.2021. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 4,8. Тираж 28 экз. Заказ № 239/2021.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.