离子束加工的应用
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第599页（4192字）
可分为3个应用领域：离子溅射沉积加工及离子镀(统称离子附着加工)、离子刻蚀加工及离子注入．
9．3．3．1 离子溅射附着加工
离子溅射附着加工(或称为物理气相沉积，physical vapor deposition，简称PVD)，包括离子溅射(vacuum sputtering)及离子镀(ion plating)，如图9-17所示．
图9-17 离子溅射加工及离子镀
(a)离子溅射沉积加工；(b)离子镀．
1—离子源；2—吸极；3—离子束；4—工件；5—靶材
溅射镀膜是在真空条件下(一定充氩气)，采用辉光放电技术，将氩气电离产生Ar+，Ar+在电场力作用下加速轰击阴极，使阴极材料被溅射下来沉积到工件表面形成膜层的方法．
离子镀是在真空条件下，利用各种气体放电技术，将蒸发原子部分电离成离子，同时产生大量高能中性粒子，沉积于工件表面形成膜层的方法．
(1)离子溅射 见图9-17(a)，用能量为0．1～5keV的离子束3轰击靶材5，离子束将靶材原子轰击出并令其沉积到工件4的表面上形成膜层．
(2)离子镀 一方面是靶材5出射的原子向工件4表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面．其特点是：
①镀层与工件表面同时存在物理气相沉积及化学反应，故镀层结合力高，可达10～20MPa；
②膜层均匀致密、韧性好；
③适应性强，可镀耐腐蚀膜、润滑膜、硬质耐磨膜、装饰性膜等，可镀金属，必可镀非金属；
④沉积速度快，可达50μm／min．
目前离子镀已获广泛应用．如模具表面镀TiN或TiC耐磨层；表带及表壳上镀TiN金黄膜层；陀螺仪的球轴承上镀TiC耐磨层等等．
9．3．3．2 离子刻蚀
图9-18为离子刻蚀加工示意图．离子束3(所带能量为0．1～5keV)打到工件4表面上，当高能高速离子打击到工件表面上所传递的能量超过工件表面原子(或分子)间键合力时，材料表面的原子(或分子)被溅射出来，从而达到加工目的．
图9-18 离子刻蚀加工示意图
1—离子源；2—吸极；3—离子束；4—工件
(1)离子刻蚀加工范畴 包括离子铣、离子研磨、离子抛光、离子减薄等．为避免入射离子与工件原子发生化学反应，离子刻蚀加工选用氩、氪、氙等惰性气体．
(2)离子束加工非球面透镜 图9-19为用双等离子体型离子枪加工非球面透镜的装置．工件13(非球面透镜)具有摆动和旋转两种运动．离子枪3为双等离子型，即利用阴极5及阳极8之间低气压直流电弧放电原理，将惰性气体在阳极小孔上方的低真空(1．33Pa)等离子化，引出电极10再将正离子导向阳极小孔下面的高真空区(1．33×10－5～1．33×10－6Pa)，通过静电透镜12聚焦形成高密度离子束．双等离子体型离子枪电离效率高(高达50%～90%)，密度高(可达1014离子数/cm3)，故广泛应用．离子刻蚀加工非球面透镜加工原理见图9-20．加工过程如下：
图9-19 离子束加工非球面透镜装置
1—加工室；2—至第—真空泵；3—离子枪；4—氩气；5—阴极；6—中间电极；7电磁铁；8—阳极；9—控制电极；10—引出电极；11—离子束；12—静电透镜；13—工件；14—至第二真空泵
图9-20 非球面透镜加工原理图
1—回转轴；2—离子束；3—工件；4—离子束；5—摆动轴
先将毛坯加工为与非球面透镜十分近似的凸面半径为R的近似球面．然后使它的球心与摆动轴5重合，使透镜的光学轴与旋转轴1重合．此外令离子束2的轴线偏离摆动轴适当距离e(在摆动面上)，以便保证被加工的非球面透镜在任何位置时，离子束对于所加工的透镜中心的入射角θ均为定值．
(3)离子刻蚀的优点 主要有以下几点．
①具有超精微细加工能力．例如：半导体工业中可刻出宽为0．1μm的线条；在光学工业中已能刻出间距为0．28μm甚至0．13μm的光栅等．
②加工精度极高．一般误差可控制在5μm以下．
③可加工材料范围广，并且不影响材料性能．金属、半导体、非金属(如橡胶、塑料、陶瓷等)均可进行离子刻蚀．
④刻蚀在真空中进行，故对加工材料污染少，对工件表面造成的应力也小．
9．3．3．3 离子注入
(1)什么是离子注入?如图9-21所示．用10～600keV能量的离子束轰击工件表面，以改变表面层性能的方法，称为离子加工．
图9-21 离子注入加工示意图
(2)离子注入的特点 主要包括以下几方面．
①通过调节离子束能量、束流强度、作用时间等参数，可以控制注入元素数量及注入深度．
②注入何种元素，不受限制；注入元素的数量，也不受材料溶解度限制．
③可在不同温度(低温、高温、室温)下注入．
④注入工件表面元素的均匀性好、纯度高．
⑤设备贵，成本高，生产率低．
(3)离子注入装置(制造P-N结装置) 离子注入装置示意图见图9-22．其基本结构由离子枪、离子的高压加速系统、分离出所需要的离子的磁分析器、使离子均匀注入硅片的扫描系统、安放被处理硅片的注入靶室及真空排气系统等部分组成．
图9-22 离子束注入示意图
(4)离子注入与材料表面改性 当材料表面被离子注入后，表面性能发生变化．例如：在铌表面注入锡，可获Nb3Sn超导表面；在铁表面注入硅则可形成马氏体结构的强化层；在铁表面注入氧(氧离子能量为10keV，密度为大于1017离子数／cm3)，则在铁表面可形成Fe3O4的表面层，耐蚀耐磨．表9-4列出了离子注入对工件(金属)物化性能的变化．
表9-4 离子注入金属后对材料改性
(5)离子注入的应用 离子注入目前最主要的应用在半导体掺杂方面，即把P或B等“杂质”注入单晶硅中规定的区域及深度后，可以改变导电的型式(P型或N型)和制造P-N结．离子注入数量、P-N结浓度、注入区域均可精确控制，所以用这种方法可以制作半导体器件和大规模集成电路．目前，这种方法已广泛应用于集成电路、太阳能电池、微波低噪音晶体管、雪崩管、场效应管的制作．
此外，离子注入已较多应用于金属表层改性，获得耐蚀、抗疲劳、润滑、耐磨性．同时离子注入在光学方面可以制造光波导．例如，向石英玻璃中注入离子，可使注入层的折射率增加形成光波导．
9．3．3．4 离子束曝光
离子束曝光与电子束曝光一样，也是在涂有抗蚀剂(亦称为掩膜层)的工件表面进行的．与电子束曝光比较，离子束曝光的特点有以下几方面．
(1)图形分辨率及灵敏度 离子束曝光的图形分辨率及灵敏度均高于电子束曝光，它可以描绘出线宽小于0．1μm的微细图形．
(2)注入深度 由于离子质量大、颗粒大，离子射入膜层内的阻力也大，故离子在掩膜层内的注入深度小于电子束注入深度．
(3)掩膜层灵敏度 离子束注入深度较校离子能量能被掩膜层充分吸收，大大提高了掩膜层的灵敏度．实验表明，当使用相同抗蚀剂为掩膜层时，离子束曝光的灵敏度比电子束曝光灵敏度高一个数量级以上．