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Haz de iones de cúmulos de gases

Los haces de iones de racimo de gas ( GCIB ) son una tecnología para la modificación de superficies a escala nanométrica. Pueden suavizar una amplia variedad de tipos de materia...

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Los haces de iones de racimo de gas ( GCIB ) son una tecnología para la modificación de superficies a escala nanométrica. Pueden suavizar una amplia variedad de tipos de materiales de superficie hasta un grado de rugosidad de angstrom sin dañar la subsuperficie. También se utilizan para alterar químicamente las superficies mediante infusión o deposición.

Proceso

Utilizando GCIB, una superficie es bombardeada por un haz de iones de cúmulos de alta energía a escala nanométrica . Los cúmulos se forman cuando un gas a alta presión (aproximadamente 10 atmósferas de presión) se expande en el vacío (1e-5 atmósferas). El gas se expande adiabáticamente y se enfría, luego se condensa en cúmulos. Los cúmulos son fragmentos de materia cristalina de tamaño nanométrico con propiedades únicas que son intermedias entre los reinos de la física atómica y los de la física del estado sólido. La expansión tiene lugar dentro de una boquilla que da forma al flujo de gas y facilita la formación de un chorro estrecho de cúmulos que se mueven a lo largo del eje de simetría de la boquilla. El chorro de cúmulos pasa a través de aberturas de bombeo diferencial hacia una región de alto vacío (1e-8 atmósferas) donde los cúmulos se ionizan por colisiones con electrones energéticos . Los cúmulos ionizados se aceleran electrostáticamente a altas velocidades y se enfocan en un haz apretado.

El haz GCIB se utiliza luego para tratar una superficie; normalmente, el sustrato tratado se escanea mecánicamente en el haz para permitir una irradiación uniforme de la superficie. El argón es un gas de uso común en los tratamientos GCIB porque es químicamente inerte y económico. El argón forma cúmulos fácilmente, los átomos del cúmulo se unen con fuerzas de Van der Waals . Los parámetros típicos para un GCIB de argón de alta energía son voltaje de aceleración de 30 kV, tamaño medio del cúmulo de 10.400 átomos, carga media del cúmulo +3,2, energía media del cúmulo de 64 keV , velocidad media del cúmulo de 6,5 km/s , con una corriente eléctrica total de 200 μA o más. [1] [2] Cuando un cúmulo de argón con estos parámetros golpea una superficie, se forma un cráter poco profundo con un diámetro de aproximadamente 20 nm y una profundidad de 10 nm. Cuando se toman imágenes con un microscopio de fuerza atómica (AFM), los cráteres tienen una apariencia muy similar a los cráteres de los cuerpos planetarios. [3] [4] [5] Un tratamiento de superficie GCIB típico permite que cada punto de la superficie sea golpeado por muchos iones en grupo, lo que suaviza las irregularidades de la superficie.

Los tratamientos GCIB de menor energía se pueden utilizar para suavizar aún más la superficie. Al reducir la energía se disminuye el tamaño y la profundidad de los cráteres de impacto y, de manera análoga al pulido mecánico, donde el tamaño del grano se reduce durante el pulido, se utilizan tratamientos posteriores con energías más bajas para alcanzar una suavidad a nivel atómico. Se pueden utilizar cúmulos de baja energía para endurecer y densificar la superficie. Las ventajas del pulido de superficies GCIB sobre el pulido convencional incluyen la capacidad de suavizar fácilmente superficies no planas, sustratos muy delgados y películas delgadas. La deposición de películas delgadas asistida por GCIB produce películas más densas y uniformes. Casi cualquier gas se puede utilizar para GCIB, y hay muchos más usos para los cúmulos químicamente reactivos, como para dopar semiconductores ( usando gas B2H6 ), limpiar y grabar (usando gas NF3 ) , oxidar (usando gas O2 ) , reducir óxido (usando gas H2 ) , nitrurar (usando gas N2 ) y para depositar capas químicas. GCIB se puede aplicar a cualquier material de sustrato, pero las propiedades de suavizado dependerán de la homogeneidad de la superficie.

Aplicaciones industriales

En la industria, el GCIB se ha utilizado para la fabricación de dispositivos semiconductores , [6] películas delgadas ópticas , [7] dispositivos de filtrado SAW y FBAR de recorte , [8] sistemas de memoria de disco fijo y para otros usos. Se ha demostrado que el suavizado de electrodos de alto voltaje con GCIB reduce la emisión de electrones de campo y se están estudiando cavidades de RF tratadas con GCIB para su uso en futuros aceleradores de partículas de alta energía . [9]

Las fuentes GCIB de pequeños grupos de argón se utilizan cada vez más para el perfilado analítico de profundidad mediante espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los grupos de argón reducen en gran medida el daño introducido en la muestra durante el perfilado de profundidad, lo que hace que sea práctico hacerlo para muchos materiales orgánicos y poliméricos por primera vez. Esto ha ampliado enormemente la gama de materiales a los que se puede aplicar XPS (por ejemplo). [10] [11] Las tasas de pulverización catódica de grupos de gas de diferentes polímeros difieren mucho, [12] y el daño de rayos X (del tipo que se acumula durante el análisis XPS) puede cambiar estas tasas de pulverización notablemente. [13] Si bien generalmente es menos dañino que la pulverización catódica monótona, la pulverización catódica de iones de grupos de gas puede, no obstante, introducir daños que son muy notorios en algunos materiales. [14]

Se ha estudiado una técnica relacionada, con un rango limitado de aplicaciones, que utiliza fulerenos de carbono de alta velocidad para tratar superficies. [ cita requerida ]

Los haces de átomos neutros acelerados (ANAB) son una variación reciente del GCIB. [15] Con el ANAB, los cúmulos de alta velocidad se calientan y se evaporan mediante colisiones con moléculas de gas de energía térmica y los restos del cúmulo cargado se desvían fuera del haz dejando un haz intenso y enfocado de átomos/monómeros neutros rápidos individuales. Los monómeros se evaporan de los cúmulos con energías térmicas bajas y retienen la velocidad del centro de masa del cúmulo y, por lo tanto, no se mueven fuera del haz antes de colisionar con la superficie. Cuando se utiliza para tratar una superficie, un haz ANAB tiene casi la misma energía y velocidad totales que el haz GCIB original, pero el efecto de suavizado en la superficie es muy diferente, ya que los impactos dispersos de los átomos rápidos individuales son más suaves que los de los cúmulos. Con el ANAB hay incluso menos daño subsuperficial que con el GCIB. La falta de carga eléctrica elimina el desenfoque de la carga espacial del haz y la acumulación de carga estática en las superficies, lo que es muy útil para aplicaciones como la fabricación de dispositivos semiconductores. [16]

Referencias

  1. ^ Swenson, DR (2004). "Medición de promedios de carga, energía y masa de iones de racimo grandes y con carga múltiple que chocan con átomos". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 222 (1–2): 61–67. Bibcode :2004NIMPB.222...61S. doi :10.1016/j.nimb.2004.01.225.
  2. ^ Swenson, DR (2005). "Análisis de carga, masa y energía de iones de grandes cúmulos de gas y aplicaciones para el procesamiento de superficies". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 241 (1–4): 599–603. Bibcode :2005NIMPB.241..599S. doi :10.1016/j.nimb.2005.07.183.
  3. ^ Allen, LP; Insepov, Z.; Fenner, DB; Santeufemio, C.; Brooks, W.; Jones, KS; Yamada, I. (2002). "Cráteres en superficies de silicio creados por impactos de iones de cúmulos de gas". Journal of Applied Physics . 92 (7): 3671–3678. Bibcode :2002JAP....92.3671A. doi :10.1063/1.1506422.
  4. ^ Aoki, Takaaki; Seki, Toshio; Ninomiya, Satoshi; Ichiki, Kazuya; Matsuo, Jiro (2009). "Estudio de la formación de cráteres y el proceso de pulverización catódica con el impacto de un gran cúmulo de gas mediante simulaciones de dinámica molecular". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 267 (8–9): 1424–1427. Código Bibliográfico :2009NIMPB.267.1424A. doi :10.1016/j.nimb.2009.01.162.
  5. ^ Toyoda, Noriaki; Yamada, Isao (2013). "Evaluación del estado de carga de iones de cúmulos de gas mediante observaciones de cráteres individuales". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 307 : 269–272. Código Bibliográfico :2013NIMPB.307..269T. doi :10.1016/j.nimb.2012.11.074.
  6. ^ MacCrimmon, R.; Hautala, J.; Gwinn, M.; Sherman, S. (2006). "Procesamiento de semiconductores por infusión de haces de iones en grupos de gases". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 242 (1–2): 427–430. Bibcode :2006NIMPB.242..427M. doi :10.1016/j.nimb.2005.08.074.
  7. ^ Toyoda, Noriaki; Yamada, Isao; Niisaka, Shunsuke; Sato, Masatoshi (2004). "Deposición de película delgada óptica de alta calidad con deposición asistida por haz de iones de cúmulos de gas". Recubrimientos de interferencia óptica . págs. MB5. doi :10.1364/OIC.2004.MB5. ISBN 3-5400-0364-9.
  8. ^ "UltraTrimmer Plus™ | Productos y servicios | Tokyo Electron LTD. | Sistema de haz de iones de grupo de gas Serie UltraTrimmer".
  9. ^ Swenson, DR; Wu, AT; Degenkolb, E.; Insepov, Z. (1 de agosto de 2007). "Tratamientos superficiales con haces de iones de grupos de gases para reducir la emisión de campo y la ruptura de electrodos y cavidades de SRF" (PDF) . Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección B: Interacciones de haces con materiales y átomos . 261 (1–2): 630–633. Bibcode :2007NIMPB.261..630S. doi :10.1016/j.nimb.2007.04.277.
  10. ^ Aoyagi, Satoka; Fletcher, John S.; Sheraz, Sadia; Kawashima, Tomoko; Berrueta Razo, Irma; Henderson, Alex; Lockyer, Nicholas P.; Vickerman, John C. (9 de agosto de 2013). "Análisis estructural de péptidos utilizando haces de iones C60 y grupos Ar continuos". Química analítica y bioanalítica . 405 (21): 6621–6628. doi :10.1007/s00216-013-7139-z. ISSN  1618-2642. PMID  23836082. S2CID  10918799.
  11. ^ "Fuente de iones de cúmulos de gas (GCIS)" www.kratos.com . Consultado el 31 de diciembre de 2022 .
  12. ^ Cumpson, Peter; Portoles, Jose; Barlow, Anders; Sano, Naoko (2013). "Rendimiento preciso de pulverización catódica de iones de racimo de argón: rendimientos medidos y efecto del umbral de pulverización catódica en el perfilado práctico de profundidad mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y espectrometría de masas de iones secundarios". Journal of Applied Physics . 114 (12): 124313–124313–8. Código Bibliográfico :2013JAP...114l4313C. doi :10.1063/1.4823815.
  13. ^ Cumpson, Peter; Portoles, Jose; Sano, Naoko; Barlow, Anders (2013). "Tasas de pulverización catódica mejoradas con rayos X en el perfilado de profundidad de pulverización catódica de iones de grupos de argón de polímeros". Journal of Vacuum Science & Technology B . 31 (2): 021208. Bibcode :2013JVSTB..31b1208C. doi :10.1116/1.4793284.
  14. ^ Barlow, Anders; Portoles, Jose; Cumpson, Peter (2014). "Daños observados durante los perfiles de profundidad de los grupos de gas argón de semiconductores compuestos". Journal of Applied Physics . 116 (5): 054908. Bibcode :2014JAP...116e4908B. doi :10.1063/1.4892097. S2CID  95609733.
  15. ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 29 de noviembre de 2018. Consultado el 28 de noviembre de 2018 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) [ URL básica PDF ]
  16. ^ http://www.neutralphysics.com/wp-content/uploads/2016/01/SEMICON-West-Exogenesis-07-05-15sm.pdf [ URL básica PDF ]
  • Isao Yamada, Procesamiento de materiales mediante haces de iones en racimo: historia, tecnología y aplicaciones (CRC Press, Boco Raton, 2016) ISBN 1498711758 
  • Zinetula Insepov, Interacciones entre iones y sólidos en cúmulos: teoría, simulación y experimentación (CRC Press, Boca Raton, 2016) ISBN 9781439875421 
  • I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, A. Kirkpatrick, "Procesamiento de materiales mediante haces de iones en grupos de gas", Materials Science and Engineering Reports R34 (6) 30 de octubre de 2001 ISSN 0927-796X
  • "Tecnología de superficies y recubrimientos", Surf. coat. technol. ISSN 0257-8972
  • Hitos históricos y perspectivas futuras de la tecnología de haces de iones en racimo (2014)
  • Tecnología de haces de iones de grupos de gases
  • Equipos industriales de procesamiento de superficies GCIB
  • Equipos de procesamiento industrial GCIB
  • Tecnología GCIB
  • Uso de GCIB para la elaboración de perfiles de profundidad (2015)
  • Uso de GCIB para espectroscopia de masas de iones secundarios
  • Análisis de la carga, energía y masa de los cúmulos (2005)
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