Газовый кластерный ионный пучок

Газовые кластерные ионные пучки ( GCIB ) — это технология наномасштабной модификации поверхностей. Он может сглаживать самые разные типы поверхностных материалов с точностью до ангстрема без повреждения подповерхностных слоев. Он также используется для химического изменения поверхностей посредством инфузии или осаждения.

Процесс

При использовании GCIB поверхность бомбардируется пучком высокоэнергетических наноразмерных кластерных ионов . Кластеры образуются, когда газ высокого давления (около 10 атмосфер ) расширяется в вакуум (1е-5 атмосфер). Газ адиабатически расширяется и охлаждается, а затем конденсируется в кластеры. Кластеры представляют собой наноразмерные кусочки кристаллического вещества с уникальными свойствами, которые занимают промежуточное положение между областями атомной физики и физикой твердого тела. Расширение происходит внутри сопла, что формирует поток газа и способствует образованию узкой струи кластеров, движущейся вдоль оси симметрии сопла. Струя кластеров проходит через отверстия дифференциальной накачки в область высокого вакуума (1е-8 атмосфер), где кластеры ионизируются столкновениями с энергичными электронами . Ионизированные кластеры электростатически ускоряются до высоких скоростей и фокусируются в плотный пучок.

Затем луч GCIB используется для обработки поверхности — обычно обработанная подложка механически сканируется лучом, чтобы обеспечить равномерное облучение поверхности. Аргон часто используется при обработке GCIB, поскольку он химически инертен и недорогой. Аргон легко образует кластеры, атомы в кластере связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса . Типичными параметрами высокоэнергетического аргонового GCIB являются ускоряющее напряжение 30 кВ, средний размер кластера 10 400 атомов, средний заряд кластера +3,2, средняя энергия кластера 64 кэВ , средняя скорость кластера 6,5 км/с , общий электрический ток 200 мкА. или больше. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} При ударе кластера аргона с такими параметрами о поверхность образуется неглубокий кратер диаметром около 20 нм и глубиной 10 нм. На изображениях с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) кратеры очень похожи на кратеры на планетных телах. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Типичная обработка поверхности GCIB позволяет воздействовать на каждую точку поверхности множеством кластерных ионов, что приводит к сглаживанию неровностей поверхности.

Для дальнейшего сглаживания поверхности можно использовать обработку GCIB с более низкой энергией. Уменьшение энергии уменьшает размер и глубину ударных кратеров, и, аналогично механической полировке, при которой размер зерна уменьшается во время полировки, последующие обработки с более низкой энергией используются для достижения гладкости на атомном уровне. Кластеры низкой энергии можно использовать для упрочнения и уплотнения поверхности. Преимущества полировки поверхности GCIB по сравнению с обычной полировкой включают возможность легко сглаживать неплоские поверхности, очень тонкие подложки и тонкие пленки. Осаждение тонких пленок с помощью GCIB позволяет получить более плотные и однородные пленки. Для GCIB можно использовать практически любой газ, и существует множество других применений химически реактивных кластеров, таких как легирование полупроводников (с использованием газа B ₂ H ₆ ), очистка и травление (с использованием газа NF ₃ ), окисление (с использованием _{O 2} газа ). , восстановление оксидов (с использованием газа H ₂ ), азотирование (с использованием газа N ₂ ) и для нанесения химических слоев. GCIB можно наносить на любой материал основы, но свойства сглаживания будут зависеть от однородности поверхности.

Промышленное применение

В промышленности GCIB применяется для изготовления полупроводниковых приборов , ^{[ 6 ]} оптические тонкие пленки , ^{[ 7 ]} обрезка SAW и FBAR , фильтровальных устройств ^{[ 8 ]} системы памяти с фиксированным диском и для других целей. Было показано, что сглаживание GCIB высоковольтных электродов уменьшает автоэлектронную эмиссию , а РЧ-резонаторы, обработанные GCIB, изучаются для использования в будущих ускорителях частиц высоких энергий . ^{[ 9 ]}

Небольшие кластерные источники аргона GCIB все чаще используются для аналитического определения профиля глубины с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Кластеры аргона значительно уменьшают повреждения, наносимые образцу во время профилирования по глубине, что впервые делает его практичным для многих органических и полимерных материалов. Это значительно расширило диапазон материалов, к которым можно применять XPS (например). ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Скорости распыления газовых кластеров разных полимеров сильно различаются. ^{[ 12 ]} и рентгеновское повреждение (того типа, которое накапливается во время XPS-анализа) может заметно изменить скорость распыления. ^{[ 13 ]} Хотя распыление кластерными ионами в целом менее разрушительно, чем монотомное распыление, оно, тем не менее, может привести к повреждению, которое очень заметно в некоторых материалах. ^{[ 14 ]}

родственный метод с ограниченным диапазоном применения, использующий высокоскоростные углеродные фуллерены для обработки поверхностей. Был изучен ^{[ нужна ссылка ]}

Пучки ускоренных нейтральных атомов (ANAB) — это недавняя вариация GCIB. ^{[ 15 ]} При использовании ANAB высокоскоростные кластеры нагреваются и испаряются за счет столкновений с молекулами газа с тепловой энергией, а заряженные остатки кластера отклоняются от луча, оставляя интенсивный сфокусированный пучок отдельных быстрых нейтральных мономеров/атомов. Мономеры испаряются из кластеров с низкой тепловой энергией, сохраняют скорость центра масс кластера и, следовательно, не выходят из пучка до столкновения с поверхностью. При использовании для обработки поверхности луч ANAB имеет почти ту же общую энергию и скорость, что и исходный луч GCIB, но эффект сглаживания на поверхности сильно отличается, поскольку рассеянные воздействия отдельных быстрых атомов более мягкие, чем удары кластеров. . При использовании ANAB ущерб недрам даже меньше, чем при использовании GCIB. Отсутствие электрического заряда исключает расфокусировку луча из-за пространственного заряда и накопление статического заряда на поверхностях, что очень полезно для таких приложений, как производство полупроводниковых приборов. ^{[ 16 ]}

Ссылки

^ Свенсон, Д.Р. (2004). «Измерение средних значений заряда, энергии и массы крупных многозарядных кластерных ионов, сталкивающихся с атомами» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 222 (1–2): 61–67. Бибкод : 2004НИМПБ.222...61С . дои : 10.1016/j.nimb.2004.01.225 .
^ Свенсон, Д.Р. (2005). «Анализ заряда, массы и энергии крупных газовых кластерных ионов и их применение для обработки поверхности» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 241 (1–4): 599–603. Бибкод : 2005НИМПБ.241..599С . дои : 10.1016/j.nimb.2005.07.183 .
^ Аллен, LP; Инсепов З.; Феннер, Д.Б.; Сантеуфемио, К.; Брукс, В.; Джонс, Канзас; Ямада, И. (2002). «Кратеры на поверхности кремния, образовавшиеся в результате ударов ионов газовых кластеров» . Журнал прикладной физики . 92 (7): 3671–3678. Бибкод : 2002JAP....92.3671A . дои : 10.1063/1.1506422 .
^ Аоки, Такааки; Секи, Тосио; Ниномия, Сатоши; Ичики, Казуя; Мацуо, Дзиро (2009). «Исследование процесса образования кратеров и распыления при воздействии крупных газовых кластеров с помощью молекулярно-динамического моделирования» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 267 (8–9): 1424–1427. Бибкод : 2009NIMPB.267.1424A . дои : 10.1016/j.nimb.2009.01.162 .
^ Тойода, Нориаки; Ямада, Исао (2013). «Оценка зарядового состояния кластерных ионов газа по данным наблюдений отдельных кратеров» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 307 : 269–272. Бибкод : 2013НИМПБ.307..269Т . дои : 10.1016/j.nimb.2012.11.074 .
^ МакКриммон, Р.; Хаутала, Дж.; Гвинн, М.; Шерман, С. (2006). «Газово-кластерная ионно-инфузионная обработка полупроводников» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 242 (1–2): 427–430. Бибкод : 2006НИМПБ.242..427М . дои : 10.1016/j.nimb.2005.08.074 .
^ Тойода, Нориаки; Ямада, Исао; Ниисака, Сюнсукэ; Сато, Масатоши (2004). «Высококачественное оптическое осаждение тонких пленок с помощью осаждения газовых кластерных ионов» . Оптические интерференционные покрытия . стр. МБ5. дои : 10.1364/OIC.2004.MB5 . ISBN 3-5400-0364-9 .
^ «UltraTrimmer Plus™ | Продукты и услуги | Tokyo Electron LTD. | Газовая кластерная ионно-лучевая система серии UltraTrimmer» .
^ Свенсон, доктор медицинских наук; Ву, АТ; Дегенколб Э.; Инсепов, З. (01 августа 2007 г.). «Обработка поверхности газовыми кластерными ионами для уменьшения автоэмиссии и разрушения электродов и полостей SRF» (PDF) . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 261 (1–2): 630–633. Бибкод : 2007НИМПБ.261..630С . дои : 10.1016/j.nimb.2007.04.277 .
^ Аояги, Сатока; Флетчер, Джон С.; Шераз, Садия; Кавасима, Томоко; Берруэта Разо, Ирма; Хендерсон, Алекс; Локьер, Николас П.; Викерман, Джон К. (9 августа 2013 г.). «Структурный анализ пептидов с использованием непрерывного кластера Ar и пучков ионов C60» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (21): 6621–6628. дои : 10.1007/s00216-013-7139-z . ISSN 1618-2642 . ПМИД 23836082 . S2CID 10918799 .
^ «Газовый кластерный ионный источник (GCIS)» . www.kratos.com . Проверено 31 декабря 2022 г.
^ Кампсон, Питер; Портолес, Хосе; Барлоу, Андерс; Сано, Наоко (2013). «Точная производительность распыления кластерными ионами аргона: измеренная производительность и влияние порога распыления при практическом определении профиля глубины с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов» . Журнал прикладной физики . 114 (12): 124313–124313–8. Бибкод : 2013JAP...114l4313C . дои : 10.1063/1.4823815 .
^ Кампсон, Питер; Портолес, Хосе; Сано, Наоко; Барлоу, Андерс (2013). «Скорость распыления с усилением рентгеновских лучей при определении профиля глубины распыления полимеров кластерными ионами аргона» . Журнал вакуумной науки и технологий B. 31 (2): 021208. Бибкод : 2013JVSTB..31b1208C . дои : 10.1116/1.4793284 .
^ Барлоу, Андерс; Портолес, Хосе; Кампсон, Питер (2014). «Наблюдаемые повреждения при профилировании глубины скопления газа аргона в сложных полупроводниках» . Журнал прикладной физики . 116 (5): 054908. Бибкод : 2014JAP...116e4908B . дои : 10.1063/1.4892097 . S2CID 95609733 .
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2018 г. Проверено 28 ноября 2018 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ http://www.neutralPhysics.com/wp-content/uploads/2016/01/SEMICON-West-Exogenic-07-05-15sm.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}

Исао Ямада, Обработка материалов кластерными ионными пучками: история, технология и применение (CRC Press, Boco Raton, 2016) ISBN 1498711758
Зинэтула Инсепов, Кластерные ионно-твердые взаимодействия: теория, моделирование и эксперимент , (CRC Press, Бока-Ратон, 2016) ISBN 9781439875421
И. Ямада, Дж. Мацуо, Н. Тойода, А. Киркпатрик, «Обработка материалов газовыми кластерными ионными пучками», Отчеты по материаловедению и инженерии R34 (6) 30 октября 2001 г. ISSN 0927-796X
«Технология поверхностей и покрытий», Surf. пальто. технол. ISSN 0257-8972

Внешние ссылки

[1] Свенсон, Д.Р. (2004). «Измерение средних значений заряда, энергии и массы крупных многозарядных кластерных ионов, сталкивающихся с атомами» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 222 (1–2): 61–67. Бибкод : 2004НИМПБ.222...61С . дои : 10.1016/j.nimb.2004.01.225 .

[2] Свенсон, Д.Р. (2005). «Анализ заряда, массы и энергии крупных газовых кластерных ионов и их применение для обработки поверхности» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 241 (1–4): 599–603. Бибкод : 2005НИМПБ.241..599С . дои : 10.1016/j.nimb.2005.07.183 .

[3] Аллен, LP; Инсепов З.; Феннер, Д.Б.; Сантеуфемио, К.; Брукс, В.; Джонс, Канзас; Ямада, И. (2002). «Кратеры на поверхности кремния, образовавшиеся в результате ударов ионов газовых кластеров» . Журнал прикладной физики . 92 (7): 3671–3678. Бибкод : 2002JAP....92.3671A . дои : 10.1063/1.1506422 .

[4] Аоки, Такааки; Секи, Тосио; Ниномия, Сатоши; Ичики, Казуя; Мацуо, Дзиро (2009). «Исследование процесса образования кратеров и распыления при воздействии крупных газовых кластеров с помощью молекулярно-динамического моделирования» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 267 (8–9): 1424–1427. Бибкод : 2009NIMPB.267.1424A . дои : 10.1016/j.nimb.2009.01.162 .

[5] Тойода, Нориаки; Ямада, Исао (2013). «Оценка зарядового состояния кластерных ионов газа по данным наблюдений отдельных кратеров» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 307 : 269–272. Бибкод : 2013НИМПБ.307..269Т . дои : 10.1016/j.nimb.2012.11.074 .

[6] МакКриммон, Р.; Хаутала, Дж.; Гвинн, М.; Шерман, С. (2006). «Газово-кластерная ионно-инфузионная обработка полупроводников» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 242 (1–2): 427–430. Бибкод : 2006НИМПБ.242..427М . дои : 10.1016/j.nimb.2005.08.074 .

[7] Тойода, Нориаки; Ямада, Исао; Ниисака, Сюнсукэ; Сато, Масатоши (2004). «Высококачественное оптическое осаждение тонких пленок с помощью осаждения газовых кластерных ионов» . Оптические интерференционные покрытия . стр. МБ5. дои : 10.1364/OIC.2004.MB5 . ISBN 3-5400-0364-9 .

[8] «UltraTrimmer Plus™ | Продукты и услуги | Tokyo Electron LTD. | Газовая кластерная ионно-лучевая система серии UltraTrimmer» .

[9] Свенсон, доктор медицинских наук; Ву, АТ; Дегенколб Э.; Инсепов, З. (01 августа 2007 г.). «Обработка поверхности газовыми кластерными ионами для уменьшения автоэмиссии и разрушения электродов и полостей SRF» (PDF) . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 261 (1–2): 630–633. Бибкод : 2007НИМПБ.261..630С . дои : 10.1016/j.nimb.2007.04.277 .

[10] Аояги, Сатока; Флетчер, Джон С.; Шераз, Садия; Кавасима, Томоко; Берруэта Разо, Ирма; Хендерсон, Алекс; Локьер, Николас П.; Викерман, Джон К. (9 августа 2013 г.). «Структурный анализ пептидов с использованием непрерывного кластера Ar и пучков ионов C60» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (21): 6621–6628. дои : 10.1007/s00216-013-7139-z . ISSN 1618-2642 . ПМИД 23836082 . S2CID 10918799 .

[11] «Газовый кластерный ионный источник (GCIS)» . www.kratos.com . Проверено 31 декабря 2022 г.

[12] Кампсон, Питер; Портолес, Хосе; Барлоу, Андерс; Сано, Наоко (2013). «Точная производительность распыления кластерными ионами аргона: измеренная производительность и влияние порога распыления при практическом определении профиля глубины с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов» . Журнал прикладной физики . 114 (12): 124313–124313–8. Бибкод : 2013JAP...114l4313C . дои : 10.1063/1.4823815 .

[13] Кампсон, Питер; Портолес, Хосе; Сано, Наоко; Барлоу, Андерс (2013). «Скорость распыления с усилением рентгеновских лучей при определении профиля глубины распыления полимеров кластерными ионами аргона» . Журнал вакуумной науки и технологий B. 31 (2): 021208. Бибкод : 2013JVSTB..31b1208C . дои : 10.1116/1.4793284 .

[14] Барлоу, Андерс; Портолес, Хосе; Кампсон, Питер (2014). «Наблюдаемые повреждения при профилировании глубины скопления газа аргона в сложных полупроводниках» . Журнал прикладной физики . 116 (5): 054908. Бибкод : 2014JAP...116e4908B . дои : 10.1063/1.4892097 . S2CID 95609733 .

[15] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2018 г. Проверено 28 ноября 2018 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[16] ttp://www.neutralPhysics.com/wp-content/uploads/2016/01/SEMICON-West-Exogenic-07-05-15sm.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]