Главная / Графит искусственный и др. / Изготовление изделий из графита / Графитовые сетки для ионно-лучевых установок

Графитовые сетки для ионно-лучевых установок

Цена: договорная
- от объёма, заполните заявку

Производство графитовых сеток для ионно-лучевых установках по чертежам заказчика!

Графитовые сетки — функциональные элементы ионной оптики, которые извлекают ионы из плазмы разрядной камеры, ускоряют их до заданной энергии и формируют коллимированный (параллельный), расходящийся или сфокусированный ионный пучок. Установка ионно-лучевой обработки, как правило, содержит систему из двух или трёх близко расположенных сеток с массивом отверстий (апертур). Каждая сетка находится под определённым электрическим потенциалом, и совокупность потенциалов определяет траектории ионов, ток пучка и его расходимость.

Графитовая сетка для ионно-лучевой установки

Принцип действия: рабочий газ (аргон, ксенон, азот или другой) ионизируется в разрядной камере источника ионов. Образовавшаяся плазма удерживается у экранной сетки (screen grid), которая имеет положительный потенциал. Ускоряющая сетка (accelerator grid) с отрицательным потенциалом вытягивает положительные ионы из плазмы и разгоняет их. В трёхсеточных системах добавляется замедляющая сетка (decelerator grid), которая позволяет точнее управлять энергией пучка и его расходимостью.

Области применения ионно-лучевых установок с графитовыми сетками:

ионно-лучевое травление (ion beam etching) — прецизионное удаление материала с поверхности подложек;
ионно-лучевое распыление (ion beam sputtering) — осаждение тонких плёнок путём распыления мишени ионным пучком;
ионно-лучевое осаждение с ассистированием (IBAD) — нанесение покрытий с одновременной бомбардировкой ионами для улучшения адгезии и структуры плёнки;
ионная полировка оптических деталей — удаление микронеровностей поверхности направленным пучком ионов;
ионная имплантация — внедрение ионов в приповерхностные слои материала для изменения его свойств;
ионные двигатели космических аппаратов — создание тяги за счёт ускорения ионов ксенона.

Во всех перечисленных случаях сетки ионной оптики работают в условиях непрерывной бомбардировки высокоэнергетическими ионами, высоких температур и вакуума. Именно поэтому к материалу сеток предъявляются жёсткие требования по стойкости к распылению, термической стабильности и электропроводности.

Почему графит: преимущества перед молибденом

Традиционным материалом сеток ионной оптики служит молибден. Однако углеродные материалы — в первую очередь пиролитический графит и углерод-углеродные композиты — всё шире вытесняют молибден в современных установках. Причины носят принципиальный физический характер.

Стойкость к ионному распылению

Скорость удаления материала при бомбардировке ионами (sputter yield) у пиролитического графита примерно в 10 раз ниже, чем у молибдена. Это означает, что графитовая сетка при прочих равных условиях служит значительно дольше. Для ионных двигателей, где требуется ресурс в десятки тысяч часов, это решающий фактор. В промышленных установках травления и напыления пониженный износ сеток также сокращает простои оборудования и затраты на обслуживание.

Малое термическое расширение

Коэффициент термического расширения (КТР) пиролитического графита в базисной плоскости ab существенно ниже, чем у молибдена. При работе ионного источника сетки нагреваются до высоких температур из-за бомбардировки ионами. Расширение сеток изменяет зазор между ними и смещение отверстий, что непосредственно влияет на фокусировку пучка. Графитовые сетки сохраняют геометрическую стабильность в более широком диапазоне режимов работы. Это особенно важно для систем с сетками из разных материалов, где различия КТР приводят к неконтролируемому изменению межсеточного зазора.

Высокая теплопроводность и излучательная способность

Теплопроводность пиролитического графита вдоль базисных плоскостей достигает 1700–2000 Вт/(м·К), что значительно выше, чем у молибдена (около 138 Вт/(м·К)). Тепло от ионной бомбардировки быстро отводится к периферии сетки и к теплоотводам. Кроме того, излучательная способность (эмиссивность) графита выше, чем у металлов, поэтому значительная часть тепла рассеивается излучением. В совокупности это позволяет графитовым сеткам работать при более низких температурах, чем молибденовые, что дополнительно уменьшает термические деформации.

Химическая стойкость

Графит устойчив к воздействию фторуглеродных газов, которые используются в процессах реактивного ионно-лучевого травления (RIBE). Молибденовые сетки в таких средах подвержены химической коррозии, что ограничивает их применимость. Графитовые сетки в этих процессах сохраняют работоспособность значительно дольше.

Ограничения графитовых сеток

При всех достоинствах графит уступает молибдену по механической прочности. Графит — хрупкий материал, и при тех же толщинах конструкция из графита менее жёсткая. Для широкоформатных ионных источников (диаметр 200 мм и более) это требует увеличения толщины сетки и межсеточного зазора, что ограничивает извлекаемый ток пучка. Этот компромисс между стойкостью к распылению и конструкционной жёсткостью является ключевым при проектировании графитовых ионно-оптических систем.

Марки графита для сеток ионной оптики

Выбор марки графита определяется требованиями конкретного применения: стойкостью к распылению, однородностью структуры, обрабатываемостью и допустимым содержанием примесей.

Пиролитический графит

Пиролитический графит (пирографит) получают методом химического газофазного осаждения (CVD) углерода из углеводородных газов при температуре 1400–2400 °C. Материал обладает высокоупорядоченной слоистой структурой, практически нулевой открытой пористостью и ярко выраженной анизотропией свойств. Плотность пирографита составляет 2100–2260 кг/м³ — близка к теоретической плотности идеального монокристаллического графита (2267 кг/м³).

Для сеток ионной оптики пиролитический графит является предпочтительным материалом по совокупности свойств: минимальная скорость распыления, отсутствие пор (газонепроницаемость), высокая теплопроводность в плоскости ab, низкий КТР в той же плоскости. Сетки из пиролитического графита изготавливают путём сверления массива отверстий в заготовке, ориентированной так, чтобы плоскость ab совпадала с плоскостью сетки.

Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) с углом разориентации базисных плоскостей менее 1° обеспечивает наилучшую комбинацию свойств, но является наиболее дорогостоящим. Его применяют, когда требуется максимальный ресурс и минимальные термические деформации.

Мелкозернистый конструкционный графит

Изостатический графит — мелкозернистый конструкционный графит, получаемый методом изостатического прессования. Он характеризуется однородной, практически изотропной структурой с размером зерна менее 10–20 мкм. Изостатические марки графита хорошо поддаются механической обработке на станках с ЧПУ, что позволяет изготавливать сетки со сложным рисунком апертур и жёсткими допусками.

По стойкости к ионному распылению мелкозернистый конструкционный графит уступает пиролитическому, однако существенно превосходит молибден. Он применяется в промышленных установках ионно-лучевого травления и напыления, где требования к ресурсу менее жёсткие, чем в космических ионных двигателях, но важна простота изготовления сеток и их ремонтопригодность.

Углерод-углеродные композиты

Углерод-углеродные (С/С) композиты — материалы на основе углеродных волокон в углеродной матрице. Они сочетают низкую скорость распыления (сопоставимую с пиролитическим графитом) с повышенной механической прочностью и вязкостью разрушения. С/С-композиты применяются в ситуациях, когда требуется конструкционная надёжность при больших диаметрах сеток.

Конструкция и конфигурация графитовых сеток

Типы ионно-оптических систем

По количеству сеток различают:

Конфигурация	Состав	Особенности
Двухсеточная	Экранная + ускоряющая	Простейшая конфигурация. Применяется в большинстве промышленных источников малого и среднего диаметра
Трёхсеточная	Экранная + ускоряющая + замедляющая	Позволяет независимо управлять энергией ионов и током пучка. Уменьшает расходимость луча
Четырёхсеточная	Экранная + ускоряющая + фокусирующая + экранирующая	Обеспечивает высокую коллимацию пучка. Используется в высокоточных применениях

Геометрия апертур

Апертуры (отверстия) сеток, как правило, имеют круглую форму и расположены в гексагональном или прямоугольном массиве. Диаметр отверстий экранной сетки обычно больше, чем ускоряющей, — это создаёт электростатическую линзу, фокусирующую каждый элементарный пучок (бимлет). Типичные диаметры апертур составляют от 1 до 5 мм в зависимости от рабочего напряжения и плотности тока.

Распределение апертур по поверхности сетки может быть равномерным или неравномерным. В установках ионно-лучевого травления часто применяют неравномерное распределение для компенсации неоднородности плазмы в разрядной камере и достижения однородной скорости травления по всей площади обработки.

Форма сеток: плоские и куполообразные

Сетки изготавливают плоскими или куполообразными (dished). Куполообразная форма применяется для фокусировки пучка на мишень при ионно-лучевом распылении, а также для компенсации термических деформаций в мощных источниках. Молибденовым сеткам легче придать куполообразную форму, чем графитовым, из-за хрупкости графита. Графитовые сетки чаще изготавливают плоскими или с небольшой кривизной, достигаемой при осаждении пирографита на профилированную подложку.

Конфигурация пучка определяется взаимным смещением рисунков апертур на сетках: коллимированный (параллельный) пучок — при соосных отверстиях; расходящийся — при смещении отверстий от центра к периферии; сфокусированный — при обратном смещении.

Типоразмеры сеток

Диаметр ионно-оптических сеток определяется размером обрабатываемых подложек или мишеней. Промышленные источники ионов выпускаются с диаметром сеток от 10 мм до 380 мм и более. Для установок травления полупроводниковых пластин диаметром 200 мм (8 дюймов) и 300 мм (12 дюймов) используются соответственно крупноформатные ионные источники.

Тонкофасонные изделия из графита для ионно-лучевого оборудования

Помимо сеток, ионно-лучевые установки и смежное технологическое оборудование для полупроводниковой, оптической и плёночной промышленности включают ряд других прецизионных графитовых деталей. Все они объединены общим требованием: сложная геометрия, жёсткие допуски, высокая чистота материала и стойкость к воздействию ионных пучков, высоких температур и агрессивных сред.

Апертурные пластины и маски для ионной имплантации

Тонкие графитовые пластины с точно расположенными отверстиями направляют ионные пучки в процессах легирования полупроводников. Точность расположения отверстий достигает ±0,005 мм. Графит выбирается благодаря устойчивости к ионному облучению и отсутствию загрязнения обрабатываемых подложек металлическими частицами.

Коллиматоры

Цилиндрические или конические детали с каналами, формирующие направленные пучки ионов или нейтральных частиц. Коллиматоры работают в условиях длительного воздействия ионной бомбардировки и высоких температур.

Держатели и кассеты для полупроводниковых пластин

Графитовые держатели (wafer carriers) фиксируют кремниевые пластины во время процессов ионной обработки, диффузии и осаждения покрытий. Многоместные конструкции обрабатываются на CNC-станках с допусками ±0,01 мм. Графит обеспечивает термическую стабильность и химическую инертность, что критично для сохранения чистоты полупроводниковых пластин.

Лодочки для термообработки

Прямоугольные или профильные контейнеры из графита предназначены для транспортировки и термообработки пластин в печах диффузии и осаждения. Лодочки устойчивы к многократным термоциклам и не выделяют загрязняющих веществ при рабочих температурах.

Нагревательные элементы и экраны

Графитовые нагреватели и тепловые экраны (шилды) входят в состав вакуумных камер ионно-лучевых установок. Они обеспечивают равномерный нагрев подложек перед обработкой и защищают элементы конструкции от теплового излучения.

Тигли и контейнеры для испарения

В установках ионно-лучевого осаждения мишени из распыляемых материалов часто размещаются в графитовых тиглях. Графит применяется также как материал контейнеров в процессах электронно-лучевого испарения.

Токосъёмные и контактные элементы

Графитовые детали используются в качестве токоподводов, контактных колец и экранов в разрядных камерах ионных источников.

Изготовление графитовых сеток и тонкофасонных деталей

Выбор заготовки

Для сеток из пиролитического графита используют заготовки, полученные методом CVD-осаждения на профилированную подложку. Толщина заготовки определяется конструктивными расчётами и обычно составляет 0,3–2,0 мм. Для сеток из конструкционного графита используют блоки или пластины соответствующих мелкозернистых марок, нарезанные на заготовки нужной толщины.

Механическая обработка на станках с ЧПУ

Формирование массива апертур и контура сетки выполняется на фрезерных и сверлильных станках с числовым программным управлением. Особенности обработки графита:

используется режущий инструмент с алмазным или твердосплавным покрытием — стандартный инструмент по металлу быстро изнашивается из-за абразивности графита;
графит обрабатывается без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (сухая обработка), что исключает загрязнение пор материала;
при обработке образуется большое количество мелкодисперсной углеродной пыли — станок должен быть оснащён системой вытяжки и фильтрации;
хрупкость графита требует аккуратного закрепления заготовки и подбора режимов резания для предотвращения сколов, особенно на тонкостенных участках;
для особо тонких и хрупких деталей, где фрезерование невозможно, применяется электроэрозионная обработка проволокой (wire EDM).

Контроль качества

Готовые сетки контролируют по следующим параметрам: диаметры апертур и их расположение (координатно-измерительная машина), толщина сетки, плоскостность или заданная кривизна поверхности, отсутствие сколов и трещин (визуальный контроль, микроскопия). Для ответственных применений проводят измерение содержания примесей методами атомно-эмиссионной спектрометрии.

Технологические требования к графиту для ионно-лучевого оборудования

Чистота материала

В полупроводниковом производстве загрязнение подложек металлическими примесями недопустимо. Графит для ионно-оптических сеток и других деталей, контактирующих с пучком или подложками, должен иметь суммарное содержание зольных примесей не более 5–20 ppm. Высокая чистота достигается использованием особо чистого исходного сырья и/или термохимической очисткой готовых заготовок в атмосфере галогенсодержащих газов при температуре выше 2000 °C.

Однородность структуры

Неоднородность структуры графита приводит к неравномерному распылению, образованию микрорельефа на поверхности сетки и, как следствие, к нестабильности пучка. Мелкозернистые и изостатические марки графита обеспечивают наиболее равномерную эрозию. Пиролитический графит, благодаря отсутствию зернистой структуры, обеспечивает наилучшую однородность поверхности при длительной эксплуатации.

Плотность и пористость

Высокая плотность и минимальная открытая пористость необходимы для предотвращения газовыделения в вакууме и адсорбции рабочих газов в порах. Пиролитический графит с плотностью 2100–2260 кг/м³ и практически нулевой открытой пористостью является оптимальным по этому критерию. Конструкционные марки графита при необходимости подвергают пропитке для снижения пористости.

Электропроводность

Сетки ионной оптики работают под электрическим потенциалом, поэтому материал должен быть электропроводным. Графит удовлетворяет этому требованию — его удельное электрическое сопротивление вдоль базисных плоскостей составляет порядка 40–50 мкОм·м для конструкционных марок и значительно ниже для пиролитического графита в направлении ab.

Эксплуатация и замена графитовых сеток

Механизмы износа

Основной механизм износа графитовых сеток — ионное распыление (физический спаттеринг). Ионы рабочего газа, отклоняющиеся от номинальных траекторий, бомбардируют поверхность сеток, выбивая атомы углерода. Наиболее интенсивно изнашивается ускоряющая сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом, — она притягивает ионы обмена зарядом (charge-exchange ions), которые образуются при столкновении ускоренных ионов пучка с нейтральными атомами остаточного газа.

При длительной эксплуатации на поверхности графитовых сеток развивается характерный микрорельеф в виде игольчатых структур (конусов и спиц). Этот рельеф формируется вследствие анизотропии распыления и может влиять на эмиссию вторичных электронов и электрический пробой между сетками.

Признаки необходимости замены

Замена сеток требуется при увеличении тока перехвата (accel grid current) выше допустимого значения, снижении тока пучка, ухудшении однородности обработки или при обнаружении сквозных эрозионных каналов при визуальном осмотре. Периодичность замены зависит от режимов работы: типа рабочего газа, энергии ионов, плотности тока и суммарной наработки.

Хранение и обращение

Графитовые сетки — хрупкие детали с точной геометрией. При хранении и транспортировке их необходимо защищать от механических ударов и загрязнения. Рекомендуется хранить сетки в индивидуальной упаковке в чистом сухом помещении. Перед установкой сетки могут подвергаться вакуумному отжигу для удаления адсорбированных газов и влаги.

Формы поставки графитовых изделий для ионно-лучевого оборудования

Мы изготавливаем и поставляем графитовые сетки и тонкофасонные изделия из графита по чертежам и техническим заданиям заказчика. Формы поставки включают:

готовые сетки ионной оптики (двух- и трёхсеточные комплекты) заданного диаметра и конфигурации апертур;
апертурные пластины и маски;
коллиматоры и диафрагмы;
держатели и кассеты для полупроводниковых пластин;
лодочки и контейнеры для термообработки;
нагревательные элементы и тепловые экраны;
заготовки из пиролитического, изостатического и мелкозернистого конструкционного графита для самостоятельной обработки;
нестандартные тонкофасонные детали сложной геометрии по индивидуальным чертежам.

Материал подбирается совместно с заказчиком исходя из условий эксплуатации, требований по чистоте, ресурсу и бюджету. Возможна поставка из пиролитического графита, изостатических марок, а также углерод-углеродных композитов.