3.2 Основные направления использования ионных пучков для технологических целей

Распыление поверхности твердых тел. Пучки ионов используются для механической обработки поверхности: удаления материала с поверхности, ее шлифовки, полировки, очистке от загрязнений. Суть метода состоит в том, что при столкновении потока быстрых ионов с поверхностью твердого тела происходит выбивания атомов с поверхности и приповерхностного слоя в вакуум. Наиболее существенное значение для организации технологического процесса имеет величина коэффициента распыления атомов мишени быстрыми ионами – Y. Численно он равен количеству атомов, распыляемых одним ионом. Его величина существенно зависит от энергии ионов (обычно десятки кэВ), массы быстрых ионов, угла падения ионов на поверхность (Y увеличивается при отклонении пучка от нормали к поверхности с достижения максимума при углах около ), от температуры поверхности и многих других параметров. Обычно используются технологические процессы, где Y = 1-10.

Легирование поверхностного слоя. Внедрение в тонкий (толщиной в несколько атомов) поверхностный слой материала других элементов позволяет резко снизить реакции окисления и получить структуры типа нержавеющих сталей без существенного изменения механических свойств всей мишени или целенаправленно их улучшить. Например, при бомбардировке металла ионами азота можно не только повысить его коррозионную стойкость, но и увеличить его износоустойчивость. Если подвергнуть металл бомбардировке ионами инертных газов, то существенно уменьшаются скорости коррозии. Это связано с тем, что в результате ионного внедрения в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, ведущие к закупорке трещин и уменьшению поверхностной диффузии кислорода. С помощью ионной бомбардировки возможно создание инородной защитной пленки (например, пленки , получаемой при внедрении в кремний ионов азота).

Изменение химических свойств материалов. Ионной бомбардировкой полупроводников можно увеличить их химическую активность. К примеру, после ионной обработки возрастает скорость растворения кремния в обычных травителях, аморфизированный таким образом кремний, в отличие от кристаллического, растворяется в плавиковой кислоте. Изменение химических свойств материалов при ионной бомбардировке нашло широкое применение в микроэлектронике при изготовлении микросхем, используется, например, при изготовлении фильтров: облучая полимерную пленку энергичными ионами, получают сквозные микропоры, после соответствующей химической обработки которых, образуются калиброванные отверстия очень малых размеров (несколько нанометров).

Ионная имплантация. В результате ионной бомбардировки в мишени появляются примесные атомы, при соответствующем выборе материалов они могут быть как акцепторными (увеличивают дырочную проводимость, например, трехвалентный бор в кристалле четырехвалентного кремния) так и донорными (поставляют в зону проводимости электроны, например, пятивалентный мышьяк в кремнии). Ионная имплантация используется для создания в полупроводниках р-n переходов. Однако следует иметь в виду, что нужными свойствами примесные атомы обладают, занимая определенное место в кристаллической решетке. Например, атом лития, внедренный в кремний, является эффективным донором если находится в междуузельных положениях, а атом бора будет акцептором лишь в узлах кристаллической решетки. Нужного положения внедренного атома добиваются с помощью высокотемпературной обработки. Однако при ионной имплантации не требуются такие высокие температуры, как при получении р-n переходов с помощью термодиффузии.

Изменение электропроводности металлов. Сопротивление металлов движению электронов определяется неидеальностью кристаллической решетки, связанной: а) с ее тепловыми флуктуациями, б) с наличием дефектов в ее структуре. При достаточно большой дозе облучения вторая составляющая электросопротивления может оказаться преобладающей. Так как составляющая электрического сопротивления металлов, связанная с дефектами кристаллической решетки, практически не меняется с температурой в некотором диапазоне ее изменения, то, при ее доминировании, можно получить резистор, сопротивление которого не зависит от температуры.

Получение тонкопленочных покрытий. При достаточно малых энергиях ионов возможно их осаждение на твердые подложки с получением монокристаллических пленок (ионная эпитаксия). При этом можно получать пленки с высокой плотностью, с малым числом дефектов кристаллической структуры, с хорошей адгезией. Таким способом, например, стало возможным получать углеродные пленки, которые близки по своим свойствам к алмазу (алмазные и алмазоподобные пленки).

Широкое применение ионные пучки получили во многих других технологических процессах: в ионной металлургии, в ионном синтезе, для изменения оптических и механических свойств материалов и т.п.