5.4离子束加工

5.4　离子束加工

离子束加工简称IBM(Ion Beam Machining)，就是在真空条件下利用离子源(离子枪)产生的离子经加速、聚焦形成高能离子束流轰击工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工的目的。其加工尺度可达分子、原子量级，是目前微细加工和精密加工领域中极有发展前途的加工方法，是现代纳米加工技术的基础工艺之一，必将成为未来的微细加工、亚微米加工甚至纳米加工的主流技术之一。

5.4.1　离子束加工的原理及特点

(1)离子束加工原理

离子束加工是利用离子束对材料进行成型或表面改性的加工方法，原理与电子束加工基本类似，其与电子束加工的本质区别在于加速的物质是带正电的离子而不是电子。离子质量是电子的千万倍，当离子被加速到较高速度时具有比电子束大得多的撞击动能，因此，与电子束通过热效应进行加工不同，离子束加工主要是通过离子撞击工件材料引起的破坏、分离或直接将离子注入材料表面等机械作用进行加工的。

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料(靶材)表面时，可将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称为离子锐削)。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。

离子束加工按照其所利用的物理效应所达到目的的不同，可分为4类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。如图5.17所示为4种典型的离子束加工示意图。图5.17(a)是用能量为0.5～5 keV的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的切削加工，故又称离子锐削，是一种典型的纳米加工工艺。图5.17(b)为离子溅射沉积的原理示意图，同样采用能量为0.5～5 keV的氩离子轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，是一种镀膜工艺。离子镀也称离子溅射辅助沉积，其原理示意图如图5.17(c)所示，与离子溅射沉积不同的是在镀膜时同时轰击靶材和工件表面，以增强膜材与工件基材之间的结合力，也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。图5.17(d)为离子注入的原理示意图，采用5～500 keV能量的离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，轰击时就钻进被加工材料的表面层，工件表面层注入离子后，化学成分发生变化，从而表面层的机械物理性能得以改变，根据不同的目的，可选用不同的注入离子，如磷、棚、碳、氮等。

图5.17　各种离子束加工示意图

(a)离子刻蚀　(b)测射沉积　(c)离子镀　(d)离子注入1—离子源；2—吸极(吸收电子，引出离子)；3—离子束；4—工件；5—靶材

(2)离子束加工特点

①加工精度高，易于精确控制。由于离子束可通过电子光学系统进行精确的聚焦扫描，其束流密度及离子能量可精确控制，离子束轰击材料是逐层去除原子，因此离子刻蚀可达到纳米级的加工精度。离子镀膜可控制在亚微米级精度。离子注入的深度和浓度也可极精确地控制。因此，离子束加工是目前所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础技术之一。

②可加工的材料范围广泛。由于离子束加工是利用力效应原理，因此对脆性材料、半导体材料、高分子材料等均可加工。由于加工是在真空环境下进行的，污染小，故尤其适于加工易氧化的金属、合金和高纯度半导体材料。

③加工表面质量高。由于离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，宏观压力很小。因此，加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。

④离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率较低，因此应用范围受到一定限制。

5.4.2　离子束加工装置

离子束加工装置与电子束加工装置类似，主要包括离子源、真空系统、控制系统及电源等部分。其主要的不同点表现在离子源系统。

离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。其具体办法是把要电离的气态原子(如氧等惰性气体或金属蒸气)注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体(即正离子数和负电子数相等的混合体)。用一个相对于等离子体为负电位的电极(吸极)，就可从等离子体中引出离子束流，而后使其加速射向工件或靶材。对离子源的要求:首先，是离子束有较大的有效工作区，以满足实际加工的需要；其次，离子源的中性损失要小，因为中性损失是指通向离子源的中性气体未经电离而损失的那部分流量，其将直接给真空系统增加负担；最后，还要求离子源的放电损失小，结构简单，运行可靠等。只有研制出高性能的离子源才能获得各种高质量的微细和超微细加工效果。由于离子束微细加工的范围极广，不同的离子束微细加工技术，往往选用不同形式的离子源。按离子束的发射机理的不同，离子源可分为固体表面离子源、气体和蒸汽离子源(通常称为等离子体型离子源)和液态金属离子源等3大类型。如图5.18所示为考夫曼型离子源结构示意图。

图5.18　考夫曼型离子源

1—真空抽气口；2—灯丝；3—惰性气体注入口；4—电磁线圈；5—离子束流；6—工件；7—阴极；8—引出电极；9—阳极；10—电离室

离子束微细加工技术通常有掩膜和聚焦两种方式，类似于电子束曝光技术中的扫描曝光(聚焦方式)和投影曝光(掩膜方式)。聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)技术是一种十分灵活、用途广泛的微细、超微细加工技术。聚焦方式无须掩膜，但生产效率低。掩膜方式存在掩膜制造的困难和掩膜与加工兼容性之间的矛盾，但生产效率高。在聚焦离子束加工方式中采用液态金属离子源是很理想的，其优点是亮度高、束径小(近似于点发射)。而掩膜方式下必须采用平行离子束源，因此多采用固体源和气体源。聚焦离子束加工系统的结构原理图如图5.19所示。系统大体上可分为离子源、离子束聚焦／扫描系统和样品台3个主要部分。离子源位于整个系统的顶端，离子经过抽取、加速并通过位于离子柱腔体内的静电透镜、四极偏转透镜以及八极偏转透镜，形成很小的离子束斑，轰击位于样品台上的样品。离子束加工装置中的主要系统是离子源，图5.18是考夫曼型离子源。

5.4.3　离子束加工工艺及应用

离子束加工技术首先在微电子器件制造中获得应用，其应用范围正在日益扩大、不断创新。目前，常用的离子束加工技术主要有离子束曝光、刻蚀、镀膜、注入、退火、打孔、切割及净化等。

(1)离子束曝光

离子束曝光又称为离子束光刻，在微细加工领域中应用极为广泛。同电子束曝光相似，利用离子束流作为光源，对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细线条的图形。由于离子束照射抗蚀剂并在其中沉积能量，使抗蚀剂起降解或交联反应，形成良溶胶或非溶凝胶，通过显影获得溶与非溶的对比图形是离子束曝光机理。

与电子束曝光技术相比，离子束曝光技术具有以下特点:

①离子的质量比电子大得多，而离子射线的波长又比电子射线的波长短得多，因此离子束曝光比电子束曝光可获得更高的分辨率。

②应用相同的抗蚀剂时，离子束曝光灵敏度比电子束曝光灵敏度可高出一到两个数量级，曝光时间可缩短很多。

图5.19　聚焦离子束加工系统结构原理图

③离子束曝光克服了电子束曝光由电子散射而引起的邻近效应，因此，离子束曝光可制作十分精细的图形线条。

④离子束可不用任何有机抗蚀剂而直接曝光，而且还可使许多材料在离子束照射下，产生增强性腐蚀。

(2)离子束刻蚀

刻蚀又称为蚀刻、腐蚀，是独立于光刻的重要的一类微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗蚀剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，因此，刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。

微细加工中的刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。湿法刻蚀包括湿法化学刻蚀和湿法电解刻蚀；干法刻蚀是利用高能束对基体进行去除材料的加工，包括以物理作用为主的离子束溅射刻蚀，以化学反应为主的等离子体刻蚀，以及兼有物理、化学作用的反应离子束刻蚀等。

1)离子束溅射刻蚀

离子束溅射刻蚀是一个从工件上去除材料的撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，从而达到逐个蚀除工件表面原子的目的。为了避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性元素的离子。氩的原子序数高，且价格便宜，因此通常使用氩离子进行轰击刻蚀。由于离子直径很小，可认为离子束刻蚀的过程是逐个原子剥离的，因此刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。

根据从离子源引出的离子束是否聚焦，离子束溅射刻蚀又可分为聚焦方式离子束溅射刻蚀和掩膜方式离子束溅射刻蚀两类。聚焦离子束溅射刻蚀也称为无掩膜离子刻蚀，其特点是可以在精密控制下，驱动被聚焦到一定束斑尺寸的离子束进行无掩膜刻蚀加工。其缺点是刻蚀速度慢，并且整体设备复杂、昂贵。掩膜方式离子束溅射刻蚀不将离子束聚成细束，而使其投射在较广阔的加工面上，对工件进行一次性溅射刻蚀。当然，这种溅射刻蚀必须要有掩膜。投射离子束比聚焦离子束溅射刻蚀装置简单很多。掩膜方式离子束溅射的最大缺点是掩膜和被刻蚀区可能同时遭到刻蚀剥离。

影响离子束刻蚀的因素有很多，如靶材料、离子束种类、离子束能量、离子束入射角以及工作室的气氛和压强等。

离子束刻蚀不存在工具磨损、加工过程中无须润滑剂、也不需要冷却液，已经在高精度加工、表面抛光、图形刻蚀、电镜试样制备以及石英晶体振荡器、集成光学、各种传感器件的制作等方面发挥了重要作用。离子束刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压电机上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。加工非球面透镜能达到其他方法难以达到的精度。如图5.20所示为离子束加工非球面透镜的原理图，为了达到预定的要求，加工过程中透镜不仅要沿自身轴线回转，而且要做摆动运动。可用精确计算值来控制整个加工过程，或利用激光干涉仪在加工过程中边测量边控制形成闭环系统。由波导、耦合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路称为集成光路，离子束刻蚀已开始用于制作集成光路中的光栅和波导。用离子束轰击已被磨光的玻璃表面时，能改变其折射率分布，使之具有偏光作用。玻璃纤维用离子束轰击后，可变为具有不同折射率的光导材科。离子束加工还能使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。

图5.20　离子束加工非球面透镜的原理

1—回转轴；2—离子束；3—工件；4—离子束；5—摆动轴；6—回转轴

离子束刻蚀应用的另一个主要方面是刻蚀高精度的图形。如在集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件及光集成器件等微电子学器件亚微米图形的加工中，往往要在基片表面加工出线宽不到3 μm的图形，并且要求线条侧壁光滑陡直，目前只能采用离子束刻蚀。离子束刻蚀可加工出小于10 nm的细线条，深度误差可控制到5 nm。

离子束刻蚀的主要优点如下:

①分辨率高，适于刻蚀精细图形。其刻蚀图形的精度仅仅取决于光刻和掩膜。

②无侧向腐蚀，图形边界清晰。离子束刻蚀是各向异性的，其垂直方向的刻蚀速率要比水平方向的大得多。离子束刻蚀大多是垂直轰击基片，一般不会产生侧向腐蚀现象。

③能够刻蚀金属、合金、绝缘体、有机物等各种材料。

④刻蚀图形壁角可以控制。用调节入射角和旋转基片的方法，可刻蚀出各种坡度的壁角和各种形状的槽底。

⑤离子束能量、束流密度、入射角和工作压强都可单独控制。这使刻蚀工艺具有很大的灵活性，能够适应各种要求。

但离子束刻蚀也存在效率较低、刻蚀机价格比较昂贵等缺陷，应视具体情况合理选用。

2)反应离子束刻蚀

反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)是一种物理化学反应的刻蚀方法。将一束反应气体的离子束直接引向工件表面，发生反应后形成一种既易挥发又易靠离子动能而加工的产物，同时通过反应气体离子束溅射作用达到刻蚀的目的，是一种亚微米级的加工技术。

3)等离子体刻蚀

等离子体刻蚀(Plasma Etching)是一种以化学反应为主的刻蚀工艺(兼有物理作用和化学反应的反应离子束刻蚀也属于等离子体刻蚀范畴)。

等离子体刻蚀是集成电路制造中的关键工艺之一。其目的是完整地将掩膜图形复制到硅片表面，其范围涵盖前端CMOS栅极( Gate)大小的控制，以及后端金属铝的刻蚀。刻蚀设备的投资在整个芯片厂的设备投资中占10%～12%，其工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。

(3)离子溅射镀膜

离子溅射镀膜是随着20世纪70年代磁控溅射技术的出现而进入工业应用的，其原理是使真空室内的剩余气体电离，电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动，入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面，然后这种被溅射出的原子或分子以从靶中退出的能量淀积在基片(阳极)上形成薄膜。因此，离子溅射镀膜过程分为3步，即离子的产生、离子对靶的轰击溅射、靶材料溅射粒子对基片的淀积。

离子溅射镀膜是基于离子溅射效应的一种镀膜工艺，不同的溅射技术所采用的放电方式是不同的。如直流二极溅射利用直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；而磁控溅射则是利用环状磁场控制下的辉光放电。直流二极溅射和三极溅射由于生产率低、等离子体区不均匀等原因，难以在实际生产中大量应用。磁控溅射则具有高速、低温、低损耗等优点，即镀膜速度快、基片温升小、没有高能电子轰击基片所造成的损伤。

离子溅射镀膜工艺适用于合金膜和化合物膜等的镀制。在各种镀膜技术中，溅射沉积最适合于镀制合金膜，具体方法有多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射3种，均采用直流溅射，且只适合于导电的靶材。化合物膜通常是指由金属元素的化合物镀成薄膜，镀膜方法包括直流溅射、射频溅射和反应溅射等3种。

离子溅射镀膜可用于刀具、齿轮、轴承等的镀膜以及制造零件等。例如，用磁控溅射在高速钢刀具上镀氮化钛(TiN)硬质膜，可显著提高刀具的寿命。由于氮化钛具有良好的导电性，可采用直流溅射，直流磁控溅射的镀膜速度可达300 mm/min。镀膜过程中，氮化钛膜的色泽逐渐由金属光泽变成明亮的金黄色。再如，在齿轮的齿面和轴承上可采用离子溅射镀制二硫化钼(MoS₂)润滑膜，其摩擦因数可达0.04。溅射时，采用直流溅射或射频溅射，靶材是用二硫化钼粉末压制成型。为得到晶态薄膜，必须严格控制工艺参数。离子溅射还可用以制造薄壁零件，其最大特点是不受材料限制，可制成陶瓷和多元合金的薄壁零件。例如，某零件是直径为15 mm的管件，壁厚63.5 μm，材料为10元素合金，其成分为Fe-Ni42%-Cr5.4%-Ti2.4%-Al0.65%-Si0.5%-Mn0.4%-Cu0.05%-C0.02%-S0.008%。先用铝棒车成芯轴，而后镀膜，完成后用氢氧化钠水溶液将铝芯全部溶蚀，即可取下零件。

(4)离子镀

离子镀是在真空镀膜和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。

离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的沾污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。最后随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，使膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。

用离子镀的方法对工件镀膜时，其绕射性好，使基板所有暴露的表面均能被镀覆。因为蒸发物质或气体在等离子体区离解而成为正离子，这些正离子能随电力线而终止在负偏压基片的所有边。离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜及电气膜等。例如，离子镀装饰膜用于工艺美术品的首饰、景泰蓝，以及金笔套、餐具等的修饰上，其膜厚仅为1.5～2 μm。

用离子镀膜代替镀硬铬，可减少镀铬公害。厚2～3 μm的氮化钛膜可代替20～25 μm的硬铬镀层。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可提高刀具的耐用度。

图5.21　空心阴极放电离子镀装置示意图

1—电子束；2—电子枪；3—空心阴极；4—基板台；5—基板；6—蒸发物

常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的，即在真空中使被蒸发物质汽化，在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时，把蒸发物蒸镀在基体上。如图5.21所示为空心阴极放电离子镀装置示意图，应用空心阴极放电技术，采用低电压(几十伏)、大电流(100 A左右)的电子束射入坩埚，加热蒸镀材料并使蒸发原子电离，把蒸镀材料的蒸发与离子化过程结合起来，使离子化率高达22%～40%，是一种镀膜效率高、膜层质量好的方法。

(5)离子注入

离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下把所需元素的离子直接注入工件表面。该方法不受热力学限制，可注入任何离子，且注入量可精确控制。注入的离子被固溶在工件材料中，含量可达10%～40%，注入深度可达1 μm甚至更深。

离子注入工艺比较简单，主要工序为开动离子注入机，调节参数以得到所需离子种类及价态稳定的离子束流，并使其具有足够的束流强度。再将工件固定在靶室内，将靶室抽到1.3×10^－4Pa以上的真空度，然后打开注入机与靶室之间的阀门，将调好的离子束流均匀地入射到工件表面。离子注入工艺所需控制的参数主要有靶室真空度、束流强度、注入时间(由注入时间和流束强度可算出注入剂量)、离子种类和价态、注入机所加的电压以及注入时工件的湿度等。

由于离子注入本身属于一种非平衡技术，可形成与溶解度及扩散性无关的表面合金，可方便地制备出具有确定成分的表面合金。因此，离子注入可作为分析检验合金表面状态与各种合金成分关系的研究方法。不管基体性能如何，可其使表面性能优化，而且可在低温注入而不产生明显的尺寸改变。利用离子注入制造的表面合金没有黏着问题。离子注入的一个根本性缺点在于它是一个直线轰击表面的过程，不适合处理复杂的凹入的表面样品。离子注入的优点主要体现在:可超过固溶浓度的极限，可制备与扩散无关的合金，可在常温过程中使用，不牺牲整体性能，没有显著的尺寸变化，可控制注入离子的浓度与深度，可重复性好。但也存在着诸如穿透浅、需要瞄准以及设备与工艺费用较贵等局限性。

常规的离子注入是用带能离子本身打进材料表面的，除此之外，还有如图5.22所示的几种变异工艺方法。反冲注入法先将希望引进的元素镀在基片上，然后用其他离子轰击镀层、使镀层元素反冲到基体中去，如图5.22(a)所示。与反冲注入法相比，轰击扩散镀层附有加热装置，可同时有热扩散效应，使离子渗入更深，如图5.22(b)所示。如图5.22(c)所示的动态反冲法是一面将元素溅射到基片表面，一面用离子轰击镀层。如图5.22(d)所示离子束混合是将元素A和B预先交替镀在基片上，组成多层薄膜(每层约10 nm)，而后用Xe离子轰击，使其混合成均匀膜层，该方法可用于制造非晶态合金。

图5.22　几种变异的离子束注入方法

(a)反冲注入　(b)轰击扩散镀层　(c)动态反冲　(d)离子束混合

离子注入在实际中的应用很多，如离子注入掺杂技术、离子注入成膜技术等。离子注入掺杂技术是将需要作为掺杂元素的原子转变为离子，并将其加速到一定能量之后，注入半导体晶片表面，以改变晶片表面的物理化学性质。实际上是利用具有一定能量的掺杂离子束对晶片表面进行轰击，从而在晶片表面非常薄的一层表面层内产生高浓度的空位，使掺杂离子进行快速扩散，形成所需的杂质掺杂区域的过程。离子注入掺杂技术广泛应用于半导体制造方面，是用棚、磷等“杂质”离子注入半导体，用以改变导电形式(P型或N型)和制造PN结，以及制造一些通常用热扩散难以获得的各种特殊要求的半导体器件。由于离子注入的数量、PN结的含量、注入的区域都可以精确控制，因此成为制作半导体器件和大面积集成电路生产中的重要手段。

离子注入成膜技术是在微电子技术等领域中获得应用的技术，是在离子注入掺杂技术的基础上发展起来的一种新型的薄膜制备加工技术。当注入固体的离子浓度很大，以致接近基片物质的原子密度时，由于受到基片物质本身固溶度的限制，将有过剩的原子析出来。这时注入离子将和基片物质元素发生化学反应，形成化合物薄膜。

利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金，从而改善金属表面的抗腐蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能等。如将W注入低温的Cu靶中，可得到W-Cu合金；把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善了材料耐腐蚀性能；在低碳钢中注入N，B，Mo等，则在磨损过程中，表面局部温升形成温度梯度，使注入离子向衬底扩散，不断在表面形成硬化层，从而提高了材料的耐磨性；在纯铁中注入B，其显微硬度可提高20%以上；把C^＋，N^＋注入碳化钨中，可显著改善材料的润滑性能，从而大大延长其工作寿命。

此外，离子注入在光学方面可以制造光波导。例如，对石英玻璃进行离子注入，可增加折射率而形成光波导。还用于改善磁泡材料性能、制造超导性材料，如在银线表面注入锡，则可在表面生成具有超导性Nb₃Sn层的导线。