127015 г. Москва, ул. Вятская дом 27 стр. 11 тел.: 8 (495) 775-74-30, факс: 8(495)988-38-30
Газово-Ионно-Кластерная Пучковая (ГИКП или GCIB) установка
На Рис.1 представлена упрощенная схема ГИПК установки, позволяющая понять ее основные принципы работы.
Основные принципы работы кластерно-пучковых установок
Исторически, в середине 90-х годов прошлого столетия в Японии были разработаны Газово-Ионно-Кластерные Пучковые (ГИКП) или Gas Cluster Ion Beam (GCIB) установки Как их дальнейшее развитие, в 2003г. компанией Exogenesis Corp. была запатентована установка, генерирующая пучки ускоренных нейтральных атомов (или Атомно-Кластерная Пучковая (АКП) или Accelerated Neutral Atom Beam (ANAB) установка Обе установки можно объединить общим названием Кластерно-Пучковые Установки.
Установка ГИПК обычно состоит из следующих основных узлов: источник газа, сверхзвукового сопла, скиммера, ионизатора нейтральных кластеров, ускорителя заряженных кластеров, магнита для анализа кластеров по массе и заряду, нейтрализатора заряда пучка, апертуры для выделения частей кластерного пучка, подложки, механического сканнера (подвижного столика) и цилиндра Фарадея для имерения параметров пучка. При этом установка разделена на 2 вакуумных камеры:
- камеру формирования нейтральных газовых кластеров,
- камеру ионизации и ускорения кластеров.
В камерах, в которых размещены эти узлы, в рабочем состоянии с помощью мощных турбомолекулярных насосов поддерживается высокий динамический вакуум (10-5 – 10-8 торр).
В качестве кластеро-образующего газа используются коммерчески доступные чистые газы: аргон, ксенон, СО2, О2, Н2, SF6, и другие, в зависимости от решаемой задачи. Наиболее часто рабочим газом является аргон. Газы подаются на вход сопла под давлением от 1 до 30 атм.
Сверхзвуковое сопло, с диаметром канала порядка 100нм, является главным элементом в формировании газовых кластерных пучков. Подобрав геометрию сопла и исходные параметры газа (давление подачи и температуру), можно получить кластеры требуемого размера.
Теоретически было установлено и экспериментально подтверждено, что очень быстрое расширение газа сразу за срезом сопла при его адиабатическом расширении в вакуум приводит к возникновению ударных волн. Эти волны отражаются в виде волн сжатия от границы струи, на которой давление газа в струе сравнивается с давлением в окружающей сопло среде. Перемешивание отраженных волн приводит к формированию скачка уплотнения, граница которого приближается к оси пучка по мере удаления от сопла, и формированию диска Маха в месте пересечения отраженных волн. За диском Маха поток газа распространяется с дозвуковой, а до диска – со сверхзвуковой скоростью. Было показано, что кластеры образовываются в «бочкообразной» области между срезом сопла и диском Маха, называемой «зоной молчания». Размер кластеров, обычно, составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов.
Только сравнительно незначительная часть полного числа атомов в газе превращается в кластеры, которые перемещаются вдоль центральной оси сопла, в узком конусе, угол которого определяется сложной функцией гидродинамики и термодинамики конденсирующейся струи газа.
Для разделения нейтральных газовых кластеров и «не кластеризованных» атомов газа используется скиммер, имеющий вид соосного с соплом конуса с отверстием на вершине. Для того чтобы вывести кластеры из «зоны молчания» срез скиммера располагается в «зоне молчания» перед диском Маха. В результате, часть газовой струи, состоящая, в основном, из кластеров и некоторого количества атомов газа попадает в камеру ионизации и ускорения, а оставшаяся часть кластеров и газа откачивается вакуумным насосом.
Однако кластеры, образующиеся при свободном сверхзвуковом истечении газов, не обладают достаточной кинетической энергией (их энергия не превышает 0.1eV на один атом кластера) для модификации поверхности. Для увеличения этой энергии необходимо ионизовать кластеры, а затем ускорить их в электрическом поле до энергии, обеспечивающей эффективную модификации поверхности твердого тела.
Для ионизации кластеров в пучке используется метод ионизации электронным ударом. Для этого применяют ионизатор с термоэмиссией электронов из раскаленной вольфрамовой нити с их последующим ускорением до энергии 50-200 Эв, достаточной для ионизации атомов газа. При этом ионизуются как атомы в кластерах, так и отдельные атомы в пучке. Поскольку сечение ионизации кластеров намного больше, чем сечение ионизации отдельных атомов, то, даже если кластеров намного меньше в пучке, чем атомов, ионизованные атомы, в основном, содержатся в кластерах.
Средний заряд кластеров зависит от напряжения ионизации и, обычно, находится в диапазоне 1 – 3.
После ионизации, пучок, состоящий как из кластеров различных зарядов, так и атомарных положительных ионов попадает в ускорительную систему для придания им необходимой кинетической энергии. Ускорительные электроды, их форма, количество и напряжение на них рассчитываются математическим моделированием с использованием программных пакетов элекронной оптики. Обычно применяют ускоряющее напряжение в 10-30кв.
Далее ускоренный пучок проходит через анализирующий магнит, который формирует скрещенные магнитные и электрические (не показано на Рис.1) поля, образующие фильтр, который позволяет отклонять нежелательную компоненту в пучке, в основном одиночные ионы, которые обладают высокой энергией и вредны для многих процессов модификации поверхности. В результате, как например, показано на Рис. 1, одиночные ионы отклоняются вниз и не попадают в апертуру перед мишенью.
Вместо описанного фильтра применяются и более сложные фильтры, состоящие из большего числа электродов, например, для селекции кластеров по массе.
Кроме того, на пути ускоренного пучка устанавливается нейтрализатор для нейтрализации избыточного заряда кластерного пучка, который иначе расталкивается за счет Кулоновского взаимодействия между заряженными кластерами. В основе работы нейтрализатора пучка лежит использование т.н. электронного душа, когда мало-энергетичные электроны вылетают из устройства похожего на ионизатор, состоящего из нити накаливания и анода, под небольшим напряжением, 10-20 В. В результате эти электроны, сталкиваясь с кластерами, нейтрализуют положительно заряженные ионы в их составе.
Теоретически и экспериментально было показано, что кластер при соприкосновении с поверхностью рассыпается на составляющие его атомы газа, большая часть из которых движется вдоль поверхности, с которой произошло столкновение. При этом, средняя энергия взаимодействия отдельного атома с поверхностью приблизительно равна энергии кластера, разделенной на количество атомов в нем. Например, для однократно заряженного кластера с энергией 20кЭв и размером 2000 атомов, средняя энергия взаимодействия атома газа с поверхностью мишени будет порядка 10Эв.
Таким образом, отличительной особенностью ионно-кластерных пучков является возможность путем варьирования размерами и энергией кластеров сформировать интенсивный поток частиц с удельной энергией в несколько электронвольт на частицу, что, как известно, чрезвычайно сложно сделать с помощью традиционного ионного пучка из-за объемного заряда. Эта особенность позволяет модифицировать тонкий приповерхностный слой (менее 10нм) поверхности, практически не нарушая структуру материала, тогда как ионные и ионно-плазменные пучки значительно ее разрушают (Рис.4).
Атомно-Кластерная Пучковая (АКП или ANAB) установка
Основой установки АКП является рассмотренная выше ионно-кластерная установка, которая дополняется несколькими узлами, назначение которых описано ниже.
Рис. 2 иллюстрирует принцип получения пучка ускоренных нейтральных атомов.
Пучок ускоренных ионизированных кластеров подвергается воздействию потока аргона, подающегося под давлением через дополнительное сопло. При столкновениях атомов аргона с кластерами разрывается часть Ван-дер-Ваальсовских связей, объединяющих частицы в ионизированных кластерах, в результате чего кластеры распадаются на осколки, часть из которых состоит из нейтральных атомов, а часть содержит ионы. Последние отклоняются электромагнитным дефлектором, а оставшийся пучок из нейтральных атомов движутся без изменения траектории к мишени.
Этот процесс иллюстрирует Рис. 3, на котором также показаны глубины модификации поверхности материала при применении как ионно-кластерного, так и атомно-кластерного пучков.
Рис.4 дает в упрощенной форме сравнение результатов взаимодействия частиц с поверхностью для различных способов модификации поверхности.
Следует добавить, что в установках ГИКПУ и АКПУ используются методы сканирования мишеней их перемещением при неподвижном пучке.
- Применения кластерно-пучковых технологий в технике
Несмотря на то, что интенсивные исследования в области ионно- и атомно-кластерных технологий начались в начале 90-х годов прошлого века, прикладные исследования и практические применения стали возможными только сегодня после разработки и производства надежных установок.
Сегодняшний опыт показывает, что во многих случаях модификация поверхности указанными технологиями приводит к появлению неожиданных и перспективных свойств поверхности.
Ионно- и атомно-кластерные технологии являются мощным орудием получения критичных и качественно новых свойств изделия на различных стадиях технологической цепочки изготовления приборов и устройств, когда требуется:
-Модификация поверхности материала для придания ей требуемых свойств:
- Гладкости атомного уровня,
- Заданной шероховатости,
- Придание гидрофобности или гидрофильности,
- Изменение степени смачивания,
- Аморфизации поверхностного слоя,
- Удаление нанодефектов с поверхности.
- Имплантация легирующих примесей в поверхностный наноразмерный слой материала;
- Нанесение нанослоев требуемого состава на поверхность конструкционного материала.
В практических применениях применение кластерно-пучковых технологий позволяет:
- Снимать с поверхности слои атомного размера без распыления материала, что приводит, в том числе, к очистке ;
- Планаризировать поверхность материала до средней шероховатости 1-3нм;
- Контролируемо травить поверхность материалов с точностью по толщине в 1нм;
- Получать поверхность материала с заданной шероховатостью;
- Наносить на поверхность материала 1-3нм слои из другого материала;
- Получать на поверхности кристаллов аморфный слой толщиной 1-3нм;
- Преобразовывать гидрофобную поверхность материала в гидрофильную;
- Активировать поверхность материала путем разрыва связей.
Наша компания ЗАО «Транстехсервис Инжиниринг» является эксклюзивным поставщиком кластерно-пучковых установок Exogenesis Corp. в России и странах СНГ.
Ниже проиллюстрированы только некоторые применения ионно- и атомно кластерных пучков для управляемой модификации свойств поверхности конструкционных материалов, число которых стремительно растет с каждым днем.
