Technologie obrábění iontovým paprskem, respektive svazkem iontů (mezinárodní označení IBM – Ion Beam Machining) zaznamenává v posledním desetiletí rychlý rozmach. Vratislav Plichta
Iontový paprsek je svazek vysoce energetických iontů inertního plynu, jako je argon, krypton a xenon, jež mohou být snadno urychlovány a řízeny elektrickým proudem. Technologie IBM se užívá ve třech významných oblastech zpracování materiálů, a to: • při úběru materiálu, např. při iontovém frézování (ion milling), leštění (ion rubbing), leptání (ion etching) a rozprašování (ion sputter machining), • při nanášení tenkých vrstev, kdy jedním z faktorů je PVD (physical vapour deposition) a proces iontového plátování (IP – ion plating), • při modifikaci povrchu, kde patří iontová implantace (ion implantation) a kombinované procesy, resp. procesy míšení (ion beam mixing nebo ion beam assisted depositon – IBAD). Technologie iontového paprsku (dále jen IBM) je proces, probíhající ve vakuu, v němž nabité atomy – ionty – ostřelují povrch cílového objektu (tj. obrobku) pomocí urychlovacího napětí. Proces IBM funguje zhruba jako proces obrábění paprskem elektronů, avšak mechanismus úběru materiálu je v případě IBM zcela odlišný. IBM je úzce spjat s pojmem rozprašování, resp. naprašování (sputtering), tj. vyrážení atomů z tuhé látky („terče“) v důsledku bombardování jejího povrchu urychlenými částicemi. Poprvé tento mechanismus popsal Grove v roce 1852. Procesy dynamické a reaktivní Procesy IBM zaměřené na opracovávání materiálů se dělí na dynamické a reaktivní. K prvním patří rozprašování (ion sputtering), mísení (ion mixing), leštění a uhlazení (ion dubbing), nanášení vrstev (ion depositzion), iontové plátování (ion plating) a chemické leptání pomocí iontového paprsku (ion assisted chemical etching). Reaktivní procesy užívají pro opracovávání materiálů chemicky aktivní ionty, např. CCI4 pro hliník a jeho slitiny a CF4 pro čistý křemík užívaný v elektronice. Reaktivní procesy jsou rychlejší než chemické způsoby opracovávání, neboť procesy se zde urychlují aktivační energií dopadajících iontů. V praxi převažují spíše dynamické procesy. Ty využívají vyrážení atomů z povrchu cílového objektu (obrobku) díky elektroelastické kolizi (tj. srážkou a odrazem), k níž dochází při dopadu iontů na povrch cíle. Jde o tzv. iontové rozprašování čili přenos hybnosti z iontu plynu na částici materiálu. Kinetická energie iontů při rozprašování překračuje energii vazby atomů či molekul v materiálu, což je příčinou jejich vypuzení z povrchu. Iontové rozprašování je dáno tím, že urychlované ionty plynu, obvykle argonu s průměrnou energií 10 eV (tato energie odpovídá rychlosti cca 200 km/s), dopadají ve vysokém vakuu v různých směrech na povrch cíle (obrobku) a pronikají do povrchu, anebo se od něho odrážejí. Dopad iontů na povrch cíle vyvolává emisi elektronů v povrchu následkem prudké srážky mezi dopadajícími ionty a atomy cílového objektu. Atom v důsledku srážky opouští své rovnovážné místo v mřížce a koliduje se sousedními atomy. Výsledkem kolize může být posunutí sousedních atomů z jejich místa či jejich vypuzení (rozprášení) z povrchu. Hloubka průniku dopadajících argonových iontů je zhruba několik nanometrů, resp. několik atomových vrstev. Popsaný proces probíhá tak, že atom působí na atom, a nazývá se obrábění iontovým rozprašováním nebo iontovým leptáním, pokud není užito obecnějšího termínu IBM. Na rozdíl od technologie obrábění elektronovým paprskem většina dopadajících iontů naráží do atomů povrchu cíle, protože průměr argonových iontů je asi 0,1 nanometru a vzdálenost mezi atomy v mřížce kovů okolo 0,3 nm. Následkem toho dopadající ionty často kolidují s atomy povrchu. Rozprašují je do okolí. Některé ionty s nižší energií se odrážejí z povrchu zpátky do okolí, přičemž mohou vyrážet atomy z povrchu. Ionty s vyšší energií zůstávají v mřížce materiálu jakožto implantované ionty. Jemné opracování, malý úběr materiálu Ionty plynu s vyšší energií, kolem 100 eV a více, vnikají hlouběji do materiálu, jelikož snáze procházejí skrze mřížku atomů. Postupně ztrácejí svou energii. Ionty proniknuvší hlouběji do materiálu kolidují s atomy mřížky kovu (materiálu) a vyrážejí je z místa v mřížce. Atom materiálu ve větší hloubce už nemá tolik energie, aby byl vyražen z povrchu, a proto zůstává v mřížce jako intersticiální atom, anebo vytvoří prázdné místo (vakanci). Bombardování povrchu má za následek vznik mřížkových poruch v povrchových vrstvách kovu. Při bombardování povrchu vysoce energetickými ionty dochází k excitaci (vybuzení) elektronů cílových atomů a srážce, která nastává během kaskádovité kolize částic. Rozpad těchto elektronů vyúsťuje v emisi fotonů, potažmo v emisi sekundárních elektronů. Výsledkem je poškození mřížkové struktury povrchu cíle a emise různých elementárních částic, jako jsou zpětně rozptýlené ionty, rozprášené atomy cílového povrchu, sekundární a tzv. Augerovy elektrony, viditelné světlo nebo rentgenové záření. Tento jev způsobuje radiační poškození povrchových vrstev materiálu a v mnoha případech je nežádoucí. Prudká srážka mezi ionty a cílovými atomy trvá cca 10–12 sekund. Kinetická energie cílových atomů následkem takové srážky stoupá. Energie potřebná k vyražení či poprášení atomu z povrchu je cca 10–18 J/atom, potřebný příkon pro vyražení atomu je asi 10–6 W/atom a výkonová hustota je v tomto případě 108 MW/m2, a to v závislosti na silách soudržnosti v mřížkové vazbě. Z uvedeného plyne, že při technologii IBM je úběr materiálu založen na odstraňování atomu atomem, výsledek takového obrábění tvoří velice jemné zpracování povrchu spojené s malým úběrem. Nevýhodou je zde to, že intenzita úběru, resp. hloubka odstraňování materiálu závisí na době trvání procesu iontového rozprašování. Zařízení pro IBM Klasické zařízení pro technologii IBM se skládá z těchto hlavních částí: • zdroj iontů generující ionty, • iontový separátor nebo extrakční (odebírací) mřížka, jež odebírá ionty z plazmy a urychluje jejich pohyb směrem k cíli (obrobku). Zdroj iontů je funkční celek, určený k řízení tvorby iontů. Ty se tvoří z plynných molekul, jež se srážejí s elektrony. Dochází k ionizaci nárazem. Ionizace znamená odtržení jednoho či více elektronů z atomu. Při zvýšené pohybové energii a vzájemných srážkách dochází k termické ionizaci, při nárazech urychlených částic k nárazové ionizaci a při nárazech fotonů k fotoionizaci. Elektrony jsou produkovány elektrickým polem mezi anodou a katodou. Iontové zdroje V současnosti existuje více typů iontových zdrojů, avšak nejrozšířenější a nejpoužívanější jsou dva typy: • duoplazmotron – zde se vytváří vysoce intenzivní úzký iontový paprsek s průměrem cca 0,3 mm, s proudem argonových iontů asi 2 mA a s vysokou energií iontů kolem 20 eV a více, • Kaufmanův zdroj – ten produkuje široký proud iontů. Elektrony z tepelného zdroje (obvykle žhavený wolframový drát) jsou urychlovány směrem k anodě a ionizovány (termická ionizace) pomocí přídavného plynu, většinou argonu. Energie iontů bývá v pásmu 500–2000 eV. Aplikace iontového opracování v průmyslu Podle způsobu užití pro opracování materiálů se iontová zařízení člení do tří kategorií, a to na fokusovaný iontový paprsek, vysokofrekvenční plazmový zdroj iontů a tzv. sprchový, široký iontový paprsek (ion shower). Vysokofrekvenční a sprchový typ zařízení se používají k obrábění, leptání a nanášení tenkých vrstev, tedy spíše v elektrotechnice a elektronice, v polovodičové technice, ale také v jemné mechanice a v optice. Zařízení s fokusovaným úzkým paprskem se aplikuje spíše ve strojírenství, zvláště pro jemné obrábění, iontovou implantaci, analýzu povrchu a také pro litografii. Jde přednostně o dále uváděné postupy: Leštění a vyhlazování povrchů – při výrobě zrcadel pro lasery a pro modifikaci tloušťky membrány, aniž by se přitom muselo manipulovat s dokončeným povrchem. Strukturace a tvoření textury – při úpravě povrchu a chemickém čištění biologických implantátů pro humánní medicínu. Pro biologické implantáty se užívají dva druhy materiálů: měkká tkaniva na bázi polyuretanů a polyolefinů a tvrdé implantáty jako titan a jeho slitiny, kobalt, chrom, nerezavějící oceli a oxidická keramika. Iontové čištění – slouží k bombardování povrchu ionty argonu, aby se získal chemicky čistý povrch. Obyčejně se tato operace provádí před nanášením tenkých vrstev za účelem zvýšení přilnavosti vrstev. Iontové čištění odstraňuje nečistoty, jako jsou oxidické filmy a absorbované vrstvy na povrchu opracovávaných objektů. Tvarování, ostření a leštění – užívá se třeba při výrobě integrovaných obvodů, holografických masek, lamel, akustických filtrů, piezoelektrických měničů, při výrobě magnetických bublinových pamětí a k tvorbě vzorků pro transmisní elektronové mikroskopy. Iontové frézování – je vhodné k vytváření mělkých drážek v obrobku. Lze tvořit pravidelné drážky se šířkou od 5 do 200 mikrometrů a hloubkou kolem 1 mm.