Sistemele cu fascicule ionice larg au fost utilizate pe scară largă în industria semiconductoarelor și unitățile de cercetare cu aplicații pentru gravarea, depunerea și implantarea induse de ioni. Folosind fluxuri controlate cu precizie de diferite tipuri de gaze ionizate (fascicule de ioni), îndepărtarea materialului care acoperă o plachetă (gravare sau frezare ionică) sau depunerea de mai mult material pe aceasta (depunere) poate fi realizată mult mai eficient decât tehnicile cu fascicul de ioni focalizați. Prin utilizarea unei combinații de gravare cu fascicul de ioni și depunere, pot fi realizate dispozitive cu dimensiunea caracteristicilor la scară adânc submicronică sau nanometrică (Liu 1995).

Sisteme de gravare cu fascicule ionice

Gravarea prin abordarea frezării cu ioni uscați, gravarea cu fascicul de ioni reactiv sau gravarea cu fascicul de ioni asistat chimic au avantaje față de procesul chimic umed. În termeni simpli, frezarea cu fascicule de ioni poate fi privită ca o sablare atomică cu nisip. În procesul de gravare cu fascicul de ioni, particulele de ioni sunt accelerate și bombardează suprafața lucrării țintă în timp ce aceasta este montată pe un etaj de probă rotativ în interiorul unei camere cu vid. Lucrarea țintă este de obicei o plachetă, un substrat sau un element care necesită îndepărtarea materialului prin sablare atomică cu nisip.

Ca și în cazul oricărui proces de gravare, un strat de material de protecție aplicat selectiv (fotorezist, metal sau dielectric etc.) este aplicat pe substrat înainte de introducerea acestuia în freza de ioni. Stratul de protecție protejează materialul de dedesubt în timpul procesului de gravare, care poate dura până la patru ore sau mai mult, în funcție de cantitatea de material care trebuie îndepărtat și de rata de gravare a materialelor. Tot ceea ce este expus la diametrul colimat al fasciculului ionic se gravează în timpul ciclului de proces. Deoarece rata de gravare a stratului de protecție este mai mică decât cea a materialului care este gravat, modelul poate fi transferat pe substrat când procesul este complet. Pot fi utilizate diferite tipuri de fotorezist, în funcție de tipul de metal și de cantitatea de material care trebuie îndepărtat.

Ionii de impact lovesc materialele țintă în timp ce acestea se rotesc. Acest lucru asigură îndepărtarea uniformă a deșeurilor, rezultând pereți laterali drepți în toate caracteristicile, cu zero subtăiere. Acest lucru duce la un circuit perfect repetabil din când în când. Precizia și repetabilitatea asociată este în cele din urmă punctul forte al procesului de frezare cu fascicul ionic colimat. Alte metode de gravare sau tăiere, cum ar fi procesul chimic sau laserul, pur și simplu nu oferă același nivel de precizie ca și o gravare cu fascicul de ioni. În plus, unele materiale, cum ar fi platina, nu pot fi gravate eficient folosind un proces chimic. Procesul de frezare cu fascicul ionic se apropie cât mai mult posibil de o soluție universală de gravare. De fapt, aria de impact pe substrat a unui ion individual afectat este de aproximativ 10^-20 cm³, iar timpul de impact este de aproximativ 10^-12 s. De obicei, energia de legare atomică a unui anumit material este în jur de 1–3 eV; astfel, frezarea ionică este îndepărtarea straturilor de materiale la scară atomică. Natura verticală a ionilor incidenți oferă anizotropie ridicată în forma frezată a modelului.

O vedere simplă tipică a unei mori cu fascicul de ioni este prezentată în Fig. 11. Ionii de argon conținuți în plasma formată printr-o descărcare electrică sunt accelerați de o pereche de grile aliniate optic. Fasciculul puternic colimat este concentrat pe o placă de lucru înclinată care se rotește în timpul operației de frezare. Un filament de neutralizare previne acumularea de sarcină pozitivă pe placa de lucru. După cum se observă în imagine, placa de lucru este răcită și se rotește astfel încât să asigure uniformitatea bombardării fasciculului de ioni. Placa de lucru poate fi înclinată pentru a răspunde cerințelor specifice, dar de obicei se află la 8^o până la 10^o față de fasciculul de ioni.

Unul dintre sistemele cu fascicul de ioni furnizate pe scară largă este Oxford IonFab 300+ (imaginea sistemului și SIMS-ul atașat). Are surse RF duble pentru gravarea și depunerea cu fascicul de ioni. Procesul de gravare se face folosind frezarea cu ioni Ar. Ionul secundar generat în timpul procesului de gravare este monitorizat in situ folosind o sondă Hiden SIMS (Spectrometrul de masă cu ioni secundari). Ca rezultat, este posibil un control precis al punctului final al procesului de gravare. După gravare, dispozitivul poate fi încapsulat prin depunerea de alumină fără întreruperea vidului.

Sisteme de depunere cu fascicule de ioni

Depunerea cu fascicul de ioni (Ion Beam Deposition = IBD) este un proces de aplicare a materialelor pe o țintă prin aplicarea unui fascicul de ioni. Un aparat de depunere cu fascicul de ioni constă în mod obișnuit dintr-o sursă de ioni, optica ionică și ținta de depunere. Opțional poate fi încorporat un analizor de masă. IBD folosește o sursă energetică de ioni cu fascicul larg concentrat cu atenție pe o țintă de pulverizare metalică sau dielectrică legată la pământ. Materialul a fost pulverizat din depozitele țintă pe un substrat din apropiere pentru a crea o peliculă. Cele mai multe aplicații folosesc, de asemenea, o a doua sursă de ioni - sursa de asistență ionică sau IAD - direcționată către substrat pentru a furniza ioni nobili sau reactivi energetici la suprafața peliculei în creștere. IAD este de dorit în special atunci când se cultivă pelicule de oxid de metal și nitrură de metal, deoarece îmbunătățește stabilitatea, densitatea, proprietățile dielectrice și optice ale peliculelor. Sursele de ioni sunt surse de ioni „în grilă” de tip Kaufman și sunt de obicei neutralizate cu o sursă de electroni independentă. Multe aplicații folosesc un ansamblu de ținte multiple care pot fi indexate în poziție pentru a crea dispozitive cu peliculă subțire multistrat. Procesarea IBD oferă un control excelent și repetabilitate a grosimii și proprietăților peliculei. Presiunile de proces în sistemele IBD sunt de ~10^-4 Torr. Prin urmare, există foarte puțină împrăștiere fie a ionilor eliberați de sursele de ioni, fie a materialului pulverizat de la ținta suprafeței. În comparație cu depunerea prin pulverizare folosind magnetron sau sisteme de diode, depunerea prin pulverizare prin IBD este foarte direcțională și mai energică. În combinație cu un suport pentru substrat care se rotește și își schimbă unghiul, sistemele IBD oferă o gamă largă de control asupra acoperirilor pereților laterali, umplerii șanțurilor și profilelor de ridicare.

În sursa de ioni, materialele sursă sub formă de gaz, solid evaporat sau soluție (lichid) sunt folosite ionizate. Pentru IBD de ioni atomici se folosesc surse de ionizare electronică, ionizare de câmp sau arc catodic. Ultima este utilizată în special pentru depunerea ionilor de carbon. Depunerea cu fascicul de ioni moleculari folosește ionizare prin electrospray sau surse MALDI. Ionii sunt accelerați, focalizați sau deviați folosind tensiuni înalte sau câmpuri magnetice. Decelerația opțională la substrat poate fi folosită pentru a defini energia de depunere. Această energie variază de obicei de la câțiva eV până la câțiva keV. La energie joasă, fasciculele de ioni moleculari sunt depuse intacte (aterizare moale). La o energie mare de depunere, fragmentele de ioni moleculari sau ioni atomici pătrund mai departe în material, proces cunoscut sub numele de implantare ionică. Optica ionică, cum ar fi cvadrupolii de frecvență radio, poate fi selectivă în masă. În IBD, aceștia sunt utilizați pentru a selecta o singură sau o serie de specii de ioni pentru depunere, pentru a evita contaminarea. În special pentru materialele organice, acest proces este adesea monitorizat de un spectrometru de masă. Curentul fasciculului de ioni, care este o măsură cantitativă pentru cantitatea de material depusă, poate fi monitorizat în timpul procesului de depunere. Comutarea gamei de masă selectate poate fi utilizată pentru a defini o stoichiometrie.

Renumiții furnizori de depunere cu fascicule ionice includ 4Wave Ltd și sistemele Veeco (sistemul Veeco SPECTOR® Loadlock IBD NEXUS LDD-IBD System, SPECTOR Large Area PlanetaryIBD System și SPECTOR IBD System) pot fi utilizate pentru a depune dielectric, nitruri de metal, oxizi de metal, metale și alte materiale precum polisiliciu, siliciu amorf, carbon asemănător diamantului, SiC și SiGe. Sunt disponibile, de asemenea, co-depunerea și ținte multiple.

Sistemul de pulverizare prin nanostraturi și aliaje de laborator 4W-LANS se adresează nevoilor cercetătorilor din domeniile solicitante, interdisciplinare, ale dezvoltării peliculei subțiri dielectrice, metalice, magnetice, supraconductoare și semiconductoare. Sistemul oferă grade neobținute anterior de control al grosimii stratului, control al interfeței, control al compoziției aliajului și flexibilitate a materialului într-un pachet mic, rentabil. O nouă tehnologie de pulverizare, numită Biased Target Deposition (BTD), lansată de angajații 4Wave, se află în centrul acestui nou produs revoluționar pentru dezvoltarea materialelor cu peliculă subțire. BTD este un hibrid între Ion Beam Deposition (IBD) și depunerea convențională prin pulverizare, care combină cele mai bune din fiecare tehnică. BTD este unic potrivită pentru aplicațiile solicitante care necesită pelicule subțiri și interfețe proiectate atomic, deoarece oferă o gamă largă de presiuni de proces, controlul energiilor adatomului și uniformitate și repetabilitate excelente. Caracteristicile includ faptul că folosește o sursă de plasmă cu energie scăzută, cu putere mare; eșantioanele pot fi găzduite în carusel țintă polarizat 6x4'' cu polarizare independentă a țintei pentru controlul compoziției aliajului; are o uniformitate de procesare foarte bună (<3 % neuniformitate pe 75 mm) și poate fi folosită pentru curățarea, gravarea, oxidarea și nitrurarea cu plasmă a substratului. Suportul de probă este răcit cu apă și poate fi rotit în timpul procesării cu o treaptă închisă; se poate încălzi și până la 600^o C (http://www.4waveinc.com/dslans.html ).

Sisteme de implantare cu fascicule de ioni

Implantarea ionică este un proces de inginerie a materialelor prin care ionii unui material sunt accelerați într-un câmp electric și impactați într-un solid; este un caz special de radiație de particule. Acest proces este utilizat pentru a modifica proprietățile fizice, chimice sau electrice ale solidului. Echipamentul de implantare de ioni constă de obicei dintr-o sursă de ioni (unde sunt produși ionii elementului dorit), un accelerator (unde ionii sunt accelerați electrostatic la o energie mare) și o cameră țintă (unde ionii interferează cu ținta de pe materialul de implantat).

Fiecare ion este de obicei un singur atom sau moleculă și astfel cantitatea reală de material implantat în țintă este timpul suplimentar integral al curentului ionic, care se numește doză. Energiile ionice tipice sunt în intervalul 10-500 keV. Pot fi utilizate energii în intervalul 1–10 keV, dar au ca rezultat o penetrare de doar câțiva nanometri sau mai puțin. Energiile mai mici decât aceasta au ca rezultat foarte puține daune țintei și se încadrează sub denumirea de depunere a fasciculului de ioni. Pot fi folosite și energii mai mari: acceleratoarele capabile de 5 MeV sunt comune. Dar, ținta are adesea daune structurale mari.

Energia ionilor, precum și speciile de ioni și compoziția țintei determină adâncimea de penetrare a ionilor în solid. În circumstanțe tipice, adâncimea medie de penetrare a ionilor variază între 10 nm și 1 μm; astfel, implantarea ionică este utilă în special în cazurile în care se dorește ca modificarea chimică sau structurală să fie aproape de suprafața țintei. Ionii își pierd treptat energia pe măsură ce călătoresc prin solid, atât din cauza coliziunilor ocazionale cu atomii țintă, cât și din cauza unei ușoare forțe de la suprapunerea orbitalilor electronilor.

Aplicațiile implantării ionice sunt destul de largi. Una dintre cele mai comune aplicații este doparea unui semiconductor prin implantare ionică. Ionii dopanți precum bor, fosfor sau arsen sunt în general creați dintr-o sursă de gaz, astfel încât puritatea sursei poate fi foarte mare. Implantarea ionică poate fi folosită și pentru a prepara siliciu pe substraturi izolatoare (silicon on insulator = SOI). O metodă proeminentă pentru prepararea substraturilor SOI din substraturi convenționale de siliciu este procesul SIMOX (Separarea prin IMplantare de OXigen), în care un implant îngropat cu doze mari de oxigen este transformat în oxid de siliciu printr-un proces de recoacere la temperatură înaltă. Pe de altă parte, Mezotaxia, creșterea unei faze de potrivire cristalografică sub suprafața cristalului gazdă (comparativ cu epitaxia, care este creșterea fazei de potrivire pe suprafața unui substrat), se poate realiza prin implantare ionică. În acest proces, ionii sunt implantați la o energie și o doză suficient de mare într-un material pentru a crea un strat dintr-o a doua fază, iar temperatura este controlată astfel încât structura cristalină a țintei să nu fie distrusă. Orientarea cristalului din strat poate fi proiectată pentru a se potrivi cu cea a țintei, chiar dacă structura exactă a cristalului și constanta rețelei pot fi foarte diferite. Alte aplicații includ finisarea metalelor și amestecarea fasciculelor de ioni. Amestecarea fasciculului de ioni este procesul de amestecare a atomilor diferitelor elemente la o interfață, care are ca scop obținerea de interfețe gradate sau întărirea aderenței între straturile de materiale nemiscibile. Însă, problemele cu implantarea ionică sunt în principal deteriorarea cristalografică, amorfizarea, pulverizarea și canalizarea ionilor.