172nm 및 222nm UV 램프 하전 입자 빔
하전입자빔은 이온빔과 아크전자빔으로 나누어진다
1) 이온빔에는 가스 소스 방전에 의해 생성된 것과 고체 소스 방전에 의해 생성된 것이 포함됩니다.
2) 아크전자선에는 가스소스 방전에 의해 생성된 전자빔과 고체소스 방전에 의해 생성된 전자빔이 포함됩니다.
9.2 이온빔
9.2.1 이온빔의 에너지와 효과
1. 이온빔 에너지 범위의 분류
이온빔의 에너지는 고전압 전기장에서 가속을 통해 얻어집니다.- 에너지(E) 범위는 다음과 같습니다. 1) 고-에너지 이온 빔, E=20–100 keV, 이온 빔 주입 및 이온 빔 혼합에 사용됨. 2) 중-에너지 이온 빔, E=500–1000 eV, 이온 빔 스퍼터링 증착, 이온 빔 에칭 및 충격 전 세척에 사용- 코팅. 3) 저-에너지 이온 빔, E 500eV 이하, 코팅 중 보조 증착에 사용됩니다. 특정 광학 코팅 및 표면 소독 응용 분야에서는 저-에너지 이온빔 보조 공정을 222nm UV 전구와 결합하여 표면 청결도와 필름 접착력을 더욱 향상시킬 수도 있습니다.
2. 재료 표면에 대한 이온빔의 효과
서로 다른 에너지의 이온빔은 재료 표면에 서로 다른 효과를 생성합니다[1-6]. (1) 이온 빔 주입: 고-에너지 이온 빔을 재료 표면에 직접 주입하면 비평형 합금, 과포화 고용체, 준안정 합금 및 화합물, 비정질 표면 및 기존 야금 방법으로는 얻기 어려운 기타 조직 구조를 갖춘 새로운 재료를 생성할 수 있습니다. 또한 이온빔 반동 주입과 이온빔 혼합도 가능합니다. (2) 이온빔 스퍼터링: 고-에너지 이온빔을 사용하여 타겟 물질을 스퍼터링하여 고순도 필름을 얻습니다.- (3) 이온빔 에칭: 고-에너지 이온빔을 사용하여 기판의 과잉 물질을 스퍼터링하여 필요한 물질로 구성된 패턴을 얻습니다. 이는 반도체 및 광전자공학 산업에서 회로 기판을 식각하는 핵심 기술입니다. (4) 이온빔 강화 보조 증착: 코팅 공정 중에 고-에너지 이온빔이 공작물에 동시에 충격을 가합니다. 즉, 한 면에는 코팅을 하고 다른 면에는 충격을 가하는 것입니다. 이온빔은 증착된 입자에 에너지를 제공하여 이온빔 보조 강화 증착을 수행하여 화학량론적 비율에 맞는 화합물 코팅을 생성하고 필름 구조를 개선할 수 있습니다. 정밀 광학 부품 코팅에서 이 기술은 때때로 필름 품질을 향상시키기 위해 현장 표면 활성화를 위해 172nm 광과 결합됩니다.
이온 빔과 물질 표면 사이의 상호 작용 중에 이러한 모든 현상이 존재하지만 한 가지 특정 현상이 다양한 에너지 범위에서 두드러집니다.
9.2.2 이온 주입
이온 주입은 고에너지 이온 빔을 사용하여 재료의 얕은 표면 개질을 위한 중요한 방법입니다.-
1. 이온주입의 종류
공정 관점에서 이온 주입은 가스 이온 주입, 금속 이온 주입, 전{0}}방향 이온 주입, 이온 빔 반동 주입, 이온 빔 혼합으로 나눌 수 있습니다[1-7].
2. 이온주입기
그림 9-1은 산업용 이온 주입 장치의 구조를 보여줍니다. 이것은 대량 선택형 이온 주입 기계입니다[1].
이온주입기의 구조
1- 음극 필라멘트 2- 양극 3- 가스 입구 4- 전자기 코일 5- 이온 소스 6- 출력 챔버 7- 이온 분리기 8- 가속관 9- 이온 편향 시스템 10- 공작물 11- 작업대 12- 주입 대상 챔버 13- 전원 공급 장치 14- 보호 스크린 15- 고전압 영역 16- 제어 콘솔 17- 관찰 창 18 - 진공 시스템
(1) 고-에너지 이온 획득: 이온 주입 소스 시스템은 가스 또는 금속 증기를 이온화 챔버에 도입하여 양이온으로 이온화한 다음 양이온을 가속하여 고체에 주입할 수 있는 빠른 속도를 제공합니다. (2) 이온 주입 장치의 구성: 이온 주입 장치에는 이온 소스, 질량 분석 시스템, 가속 시스템, 편향 주사 시스템이 포함됩니다.. 1) 이온 소스: 이온 소스는 이온 빔 시스템에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 그 역할은 이온으로 주입될 원소의 원자를 이온화하는 것입니다. 가스 이온(예: N⁺, Ar⁺, H⁺)의 경우 가스가 방전실로 직접 유입됩니다. 금속 이온의 경우 금속을 가열하고 증발시킨 후 금속 증기 원자를 방전실로 도입하여 이온화하여 금속 이온을 얻은 다음 방전실에서 추출하여 20~500keV의 에너지를 갖는 이온빔을 형성합니다.. 2) 질량 분석 시스템: 이온 소스에서 추출된 이온빔에는 몇 가지 또는 수십 개의 원소의 이온이 포함됩니다. 일반적으로 응용 분야에 따라 주입에는 한 가지 원소의 이온만 필요합니다. 이온 분리기는 다중 이온빔에서 필요한 이온을 분리하여 원하지 않는 이온을 편향시키는 동시에 작업물 표면을 향하게 하는 이온 질량 분석 시스템입니다. 편향 자기장은 일반적으로 편향 채널을 따라 선택된 이온을 주입을 위해 가공물이 배치된 타겟 챔버로 안내하는 데 사용됩니다. 이 질량 분석 후 다른 이온은 필터링됩니다.. 3) 가속 시스템: 이온은 전기장 작용에 따라 가속되어 높은 에너지를 얻습니다. 일반적으로 3{15}}단계 추출 시스템을 사용하며 가속된 이온 에너지는 최대 20~500keV에 도달합니다.. 4) 스캐닝 시스템: 20~100keV 에너지를 갖는 고-에너지 이온은 "빔" 모양으로 직접 이온을 향하게 됩니다. 작업물 표면, 표면의 동작 범위가 작습니다. 고{23}}에너지 이온 주입의 균일성을 보장하는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 공작물을 회전시키는 것입니다. 다른 하나는 스캔을 위한 전자기장을 조정하여 이온 빔이 샘플을 반복적이고 균일하게 스캔할 수 있도록 하여 재료 작업 표면의 수정 범위를 확장하는 것입니다.
3. 이온주입의 원리
이온 주입은 미리 선택된 원소 원자를 이온으로 이온화하고, 전기장을 통해 가속하여 20~500keV의 에너지를 얻은 후 고체 표면층에 도입하는 과정입니다. 이론적으로 주기율표의 모든 원소는 이온 주입에 사용될 수 있습니다[1-7].
강력한 고속-이온이 재료 표면에 충격을 가해 계단식 충돌을 일으키고 강제로 기판 재료에 특정 깊이로 들어갑니다. 주입 깊이는 이온 질량, 에너지 및 타겟 물질 유형에 따라 달라지며 일반적으로 수 나노미터에서 수백 나노미터 범위이며 주입 프로세스는 약 10⁻1²초 내에 완료됩니다. 이온 주입은 표면의 입사 원소 함량을 증가시키는 것 외에도 공극, 전위, 공극 클러스터, 전위 클러스터, 격자간 원자 및 격자간 원자 클러스터와 같은 많은 결함을 도입하여 주입된 층의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 진공 광학 시스템 유지 관리에서는 222nm UV 전구와 유사한 원리를 표면 결함의 보조 감지에 사용할 수도 있습니다.
4. 이온주입 공정의 종류 [1,2]
(1) 연속주입 : 연속주입시 이온은 20~500keV의 에너지로 가속되어 재료 표면에 연속적으로 주입되어 표면에 다수의 결정결함을 생성하여 내식성 및 내마모성을 크게 향상시킵니다. 이온빔 에너지는 일반적으로 약 60keV이며 펄스 전원 공급 장치를 사용하면 그 효과가 더욱 향상됩니다. (2) 반동 주입: 반동 주입은 먼저 공작물 기판 A의 표면에 새로운 재료 B의 박막을 증착한 다음 고{7}}에너지 가스 이온 빔(예: Ar⁺ 또는 N⁺)을 사용하여 재료 B의 원자를 기판의 격자에 두드려 새로운 표면 특성을 갖는 A+B 혼합 층을 형성하는 작업을 포함합니다. 반동 주입에는 150keV 이상에 달하는 더 높은 이온빔 에너지가 필요합니다. (3) 이온빔 혼합 [1]
이온빔 혼합: 필요한 원소를 기판에 교대로 사전 증착하여-다층 박막(각 층 두께는 수 나노미터에서 수십 나노미터)을 형성한 다음, 필름에 에너지 이온을 충격을 가하여 다층 경계면을 제거하고 균일한 원자-수준 혼합으로 전환하여 기판 표면에 새로운 합금을 형성합니다. 이온빔 혼합은 이중-층 매체 또는 다층 금속 필름 사이에서 수행될 수 있습니다. 예: 금속 필름과 기판 사이의 혼합; 집적 회로에서 얕은 접합 오믹 접점은 이 단일-층 금속-기판 혼합 형태를 사용합니다. 이온 빔 혼합 후에는 경계면에 규화물이 형성되어 오믹 접촉 저항이 감소합니다.
다층 금속 필름 이온 빔 혼합: 이중-층 금속 시스템으로 제조된 다층 필름의 이온 빔 혼합은 두 금속의 합금 상 변형을 연구하는 데 사용되는 다층 필름 이온 빔 혼합입니다. 기판은 금속, 세라믹 또는 절연체일 수 있습니다.
동적 혼합 기술: 일반적으로 이온빔 강화 증착 기술로 알려진 증착과 주입이 동시에 발생합니다. 에너지에 따라 에너지 이온은 고-에너지 이온(MeV 차수)과 저-에너지 이온(keV 차수 미만)으로 구분됩니다. 고-에너지 이온빔은 이온 가속기가 필요하며 기판 표면층에 수많은 결함을 쉽게 일으키고, 증착된 많은 원자를 쉽게 파괴하고 증착 속도를 크게 감소시킵니다. 저-에너지 이온빔은 더 나은 표면 효과를 가지므로 이온빔 강화 증착은 일반적으로 저에너지 이온빔 충격을 사용합니다. 필름 표면에 에너지 이온빔 충격을 가하면 필름의 구조와 구성에 결정적인 영향을 미치는 많은 물리화학적 효과가 유도됩니다. 특정 진공 자외선 응용 분야에서는 172nm 빛이 보조 광원 역할을 하여 동적 혼합 중에 표면 청결도를 향상시킬 수 있습니다.
그림 9-2 이온빔 혼합 과정: a) 증착된 필름층 b) 이온 주입 c) 이온빔 혼합 ○- 기판 원자 ●- 필름층 원자 ●- 이온
5. 이온주입기술의 장점
요약하면, 20~500keV 에너지의 이온을 재료 표면에 주입하는 경우의 장점은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
이온 주입 공정은 이온 야금학적 효과를 가지며, 주입된 층 구성은 열역학적 평형에 의해 제한되지 않습니다.
원하는 표면 특성을 달성하기 위해 주입된 이온량을 제어합니다.
주입 중 기판 온도 상승이 최소화됩니다.
이식 중에 공작물 치수나 표면 거칠기에 변화가 없습니다.
이식된 요소는 이식된 층에 묻혀 있으므로 표면 개질 층은 코팅처럼 벗겨지지 않습니다.
주입된 이온은 기존 표면 코팅, 산화물 차단층 또는 열 차단층을 관통할 수 있습니다.
전반적인 인쇄물 성능은 영향을 받지 않습니다.
주입된 요소는 표면층에 국한되어 벌크 재료 합금과 동일한 효과를 달성하는 동시에 표면 수정만을 통해 값비싼 재료와 전략적 자원을 절약합니다.
이온 주입 기술은 재료의 내마모성, 내식성, 내산화성, 내피로성 및 특수 특성(예: 초전도성, 자기 광학 재료)을 향상시키기 위해 항공우주, 기계 제조, 생물의학, 전자 산업 및 기타 분야에 널리 적용됩니다. 야금 연구에서 이온 주입은 원자 야금의 장점을 활용하여 상 변환 과정을 연구하고, 새로운 상을 합성하며, 세라믹 재료, 초경질 재료 등에서 다양한 원소의 야금학적 역할을 조사합니다.
9.2.3 이온빔 스퍼터링 증착 및 이온빔 에칭
500-1000eV의 에너지를 갖는 중-에너지 이온빔은 이온빔 스퍼터링 증착 및 이온빔 에칭에 주로 사용됩니다[1-5].
1. 이온빔 스퍼터링 증착
중간-에너지 이온 빔이 재료 표면에 충격을 가합니다. 이온 에너지는 재료 격자로의 진입을 방지하지만 에너지를 대상 원자로 전달하여 표면에서 날아가서 가공물에 증착되어 얇은 필름을 형성하는 스퍼터링을 유발합니다. 스퍼터링은 이온빔에 의해 유도되기 때문에 스퍼터링된 필름 원자는 높은 에너지를 가지며, 타겟에 이온빔 충격을 가하는 고진공 하에서는 필름 순도가 높아 안정성이 향상된 고품질 필름을 증착할 수 있어 더 나은 광학적, 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 광학 박막 준비에서 이 프로세스는 종종 진공 챔버의 현장 세척을 위해 222nm UV 전구와 결합되어 스퍼터링 중 높은 순도를 보장합니다. 이온빔 스퍼터링의 목적은 새로운 박막 물질을 형성하는 것입니다.
2. 이온빔 에칭
이온빔 에칭은 중간-에너지 이온빔을 사용하여 스퍼터링을 위해 재료 표면에 충격을 가하여 기판에 에칭을 생성합니다. 반도체소자, 광전자소자 등 다양한 분야의 패터닝을 위한 핵심기술입니다. 반도체 집적 회로 칩 준비에서는 직경이 Φ12인치(Φ304.8mm)인 단결정 실리콘 웨이퍼에 수백만 개의 트랜지스터가 제작됩니다.{2}} 각 트랜지스터는 활성층, 절연층, 절연층, 전도층 등 다양한 기능을 가진 여러 층의 필름으로 구성됩니다. 각 기능층은 고유한 패턴을 가지므로 각 기능성 박막을 증착한 후 이온빔 에칭을 통해 불필요한 부분을 제거하고 유용한 필름 구성 요소를 유지합니다. 현재 칩 와이어 폭은 7nm에 이르므로 이러한 미세한 패턴을 위해서는 이온빔 에칭이 필요합니다. 이온빔 에칭은 초기 습식 에칭에 비해 고정밀도의 건식 에칭입니다. 진공 자외선 광학소자 가공에서는 식각 전 보조 표면 전처리를 위해 172nm의 빛을 사용하는 경우도 있다.
이온빔 에칭 기술에는 비-반응성 이온빔 에칭과 반응성 이온빔 에칭이 포함됩니다. 전자는 물리적 반응 에칭을 위해 아르곤 이온 빔을 사용합니다. 후자는 스퍼터링을 위해 불소 이온 빔을 사용합니다. 여기서 고에너지 스퍼터링 외에도 불소 이온 빔은 SiO2, Si₃N₄, GaAs, W 등과 같은 에칭된 필름과 화학적으로 반응하며 더 빠른 에칭 속도를 위해 물리적 및 화학적 프로세스가 모두 포함됩니다. 반응성 에칭은 CF₄, C₂F₆, CCl₄, BCl₃와 같은 부식성 가스를 사용하여 부식성 가스인 SiF₄, SiCl₄, GeCl₄, WF₆를 부산물로 생성합니다. 이온빔 식각 기술은 첨단-기술 제품 생산에 필수적입니다.
