RU192377U1 - Металлический нанопринтер на основе ионного источника с твердым электролитом - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области ионно-лучевых технологий и может быть использована для локального безмасочного осаждения наноразмерных металлических элементов - проводящих дорожек, контактных площадок и т.п. на поверхности различных материалов при разработке современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание нового прибора - экологически чистого («зеленого») металлического нанопринтера на основе точечного ионного источника с твердым электролитом, работающего при комнатной температуре, без применения дорогостоящего масс-сепаратора и без использования вредных металлоорганических соединений. Решение указанной задачи достигается тем, что металлический нанопринтер содержит компактный ионный источник, состоящий из твердотельного резервуара, выполненного из рабочего металла высокой степени чистоты (меди или серебра) в виде цилиндра с заостренной вершиной, на поверхность которой нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами того же металла (меди или серебра), заземленный электрод-экстрактор, ускоряющий ионный пучок и направляющий его на поверхность обрабатываемой подложки, пьезоэлектрический двигатель для прецизионного перемещения подложки в двух направлениях относительно ионного источника, блоки питания ионного источника и управления пьезоэлектрическим двигателем; формирование ионного пучка, состоящего из однозарядных положительных ионов рабочего металла (меди или серебра), происходит при комнатной температуре за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «резервуар-твердый электролит» с последующим их быстрым транспортом через электролит, полевым испарением с поверхности электролита в вакуум, ускорением внешним электрическим полем в пространстве между ионным источником и электродом-экстрактором и осаждением на поверхность подложки без дополнительной масс-сепарации ионного пучка.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области ионно-лучевых технологий и может быть использована для локального безмасочного осаждения наноразмерных металлических элементов - проводящих дорожек, контактных площадок и т.п.на поверхности различных материалов при разработке современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание нового прибора - экологически чистого («зеленого») металлического нанопринтера на основе точечного ионного источника с твердым электролитом, работающего при комнатной температуре, без применения дорогостоящего масс-сепаратора и без использования вредных металлоорганических соединений. Решение указанной задачи достигается тем, что металлический нанопринтер содержит компактный ионный источник, состоящий из твердотельного резервуара, выполненного из рабочего металла высокой степени чистоты в виде цилиндра с заостренной вершиной, на поверхность которой нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами того же металла, заземленный электрод-экстрактор, ускоряющий ионный пучок и направляющий его на поверхность обрабатываемой подложки, пьезоэлектрический двигатель для прецизионного перемещения подложки в двух направлениях относительно ионного источника, блоки питания ионного источника и управления пьезоэлектрическим двигателем; формирование ионного пучка, состоящего из однозарядных положительных ионов рабочего металла, происходит при комнатной температуре за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «резервуар-твердый электролит» с последующим их быстрым транспортом через электролит, полевым испарением с поверхности электролита в вакуум, ускорением внешним электрическим полем в пространстве между ионным источником и электродом-экстрактором и осаждением на поверхность подложки без дополнительной масс-сепарации ионного пучка.

Настоящая полезная модель относится к области ионно-лучевых технологий и может быть использована для локального безмасочного осаждения наноразмерных металлических элементов - проводящих дорожек, контактных площадок и т.п.на поверхности различных материалов при разработке современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Из существующего уровня техники известны устройства для локальной металлизации материалов из газовой фазы с использованием фокусированных ионных пучков, в основном галлия [1-3]. В таких устройствах в вакуумную камеру-реактор напускается металлоорганическое газообразное соединение (прекурсор), которое адсорбируется на обрабатываемой поверхности. Затем эта поверхность облучается сфокусированным пучком ионов галлия, который инициирует локальное разложение прекурсора, и десорбированные продукты разложения откачиваются из реактора. Металлический компонент прекурсора осаждается на поверхности и создает проводящие дорожки, контактные площадки и т.п. К недостаткам таких устройств можно отнести использование металлоорганических соединений, часто ядовитых и представляющих угрозу для здоровья обслуживающего персонала. Кроме того, осажденные проводящие элементы оказываются в той или иной степени загрязненными продуктами ионно-стимулированного разложения прекурсора, а также металлическим галлием, имплантированным в эти элементы в процессе ионного облучения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для прямого локального осаждения пленок меди с использованием жидкометаллического ионного источника [4]. Так как температура плавления чистой меди достаточно высокая (1064°С), то в качестве рабочего вещества в этом устройстве использовался сплав меди с германием эвтектического состава Cu_63.5Ge_36.5 с температурой плавления 643°С. Устройство работало следующим образом. Игольчатый электрод-эмиттер из вольфрама погружался плоским концом в расплав рабочего вещества. При достижении пороговой разности потенциалов между электродом-экстрактором и острием эмиттера, смоченного проводящим расплавом, поверхность расплава начинала деформироваться и, в конечном счете, принимала форму конуса (конуса Тейлора). Условием образования такого конуса является квазистационарное равновесие сил, обусловленных поверхностным натяжением расплава и действием электрического поля, направленного по нормали к поверхности конуса Тейлора. При превышении порогового значения, которое составляло 2-3 кВ в зависимости от радиуса закругления острия эмиттера и расстояния до электрода-экстрактора, с вершины конуса начиналось полевое испарение атомарных положительно заряженных ионов меди и германия, причем как однозарядных, так и двухзарядных.

Помимо них в пучке присутствовали еще полиатомные (кластерные) ионы, представляющие собой соединения меди с германием. Из-за близости атомных масс Ge и Cu для выделения из этого пучка ионов меди использовался масс-сепаратор с высоким разрешением. Недостатками прототипа являются необходимость масс-сепарации ионного пучка и достаточно высокая рабочая температура ионного источника. Кроме того, ионный источник при определенных условиях мог переходить в режим генерации микрокапель сложного состава, нежелательных при локальной металлизации.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в создании нового прибора - экологически чистого («зеленого») металлического нанопринтера на основе точечного ионного источника с твердым электролитом для локального безмасочного осаждения проводящих дорожек, контактных площадок и других металлических наноразмерных элементов высокой степени чистоты, работающего при комнатной температуре, без дорогостоящего масс-сепаратора и вредных металлоорганических соединений.

Решение указанной задачи достигается тем, что металлический нанопринтер содержит компактный ионный источник, состоящий из твердотельного резервуара, выполненного из рабочего металла высокой степени чистоты в виде цилиндра с заостренной вершиной, на поверхность которой нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами того же металла, заземленный электрод-экстрактор, ускоряющий ионный пучок и направляющий его на поверхность обрабатываемой подложки, пьезоэлектрический двигатель для прецизионного перемещения подложки в двух направлениях относительно ионного источника, блоки питания ионного источника и управления пьезоэлектрическим двигателем.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение эффективности и упрощение конструкции устройства для локального безмасочного осаждения проводящих дорожек, контактных площадок и других металлических наноразмерных элементов высокой степени чистоты, именуемым в данной заявке металлическим нанопринтером, за счет генерации ионов рабочего металла (меди или серебра) в точечном ионном источнике с твердым электролитом, работающим при комнатной температуре без использования сложного и дорогостоящего масс-сепаратора.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема полезной модели - металлического нанопринтера на основе ионного источника с твердым электролитом.

Полезная модель содержит ионный источник, в состав которого входит заостренный цилиндрический резервуар 1, изготовленный из рабочего металла с высокой степени чистоты с высокой электропроводностью (меди или серебра). Радиус закругления острия выбирался меньшим 1 мкм, что обеспечивалось прецизионной механической обработкой с последующей доводкой химическим травлением и лазерной абляцией [5]. На заостренную часть резервуара методом импульсного лазерного напыления нанесена тонкая пленка (0.5-1 мкм) твердого электролита 2 с высокой ионной проводимостью, которая обеспечивается мобильными ионами рабочего металла (меди или серебра). В качестве такого электролита использовались кристаллические суперионные проводники Rb₄Cu₁₆I₇CI₁₃ [6], RbAg₄I₅ [7, 8] и CsAg₄Br_2.5I_2.5 [9]. Пучок ионов рабочего металла 3 (Cu⁺ или Ag⁺) формировался и ускорялся электродом-экстрактором 4, изготовленным из тантала и расположенным в пространстве между ионным источником и обрабатываемой подложкой 5, на которую осаждались наноразмерные проводящие элементы 6 (дорожки, контактные площадки и т.п.). Ускоряющее напряжение подавалось на источник с высоковольтного блока питания 7, а прецизионное перемещение подложки в двух направлениях относительно ионного пучка осуществлялось с помощью пьезоэлектрического двигателя 8 с блоком питания и управления 9. Металлический нанопринтер вместе с обрабатываемой подложкой помещался в вакуумную камеру, которая откачивалась до давления остаточных газов не хуже 10^-4 Па.

Полезная модель работает следующим образом. На ионный источник подается положительный ускоряющий потенциал порядка 5-15 кВ. Под действием электрического поля атомы рабочего металла (меди или серебра) в результате окислительно-восстановительных реакций на границе «резервуар-твердый электролит» превращаются в положительные ионы, концентрация которых в электролите может достигать 10²² ион/см³. Эти ионы мигрируют по туннелям быстрого ионного транспорта внутри жесткой подрешетки катионов в электролите к границе «электролит-вакуум», испаряются в вакуум и ускоряются электрическим полем в пространстве между острием источника и входной диафрагмой электрода-экстрактора. Ионная эмиссия обеспечивается в основном за счет полевого испарения однозарядных ионов рабочего металла, поэтому источник работает при более низкой напряженности электрического поля, чем обычные автоионные эмиттеры, т.к. отпадает необходимость в ионизации эмитируемых частиц. Так как проводимость суперионных проводников, используемых в данном источнике, достаточно высокая даже при комнатной температуре (>0.1 См/см), то источник может эффективно работать без дополнительного нагрева. Убыль подвижных ионов рабочего металла (меди или серебра) в твердом электролите из-за их эмиссии в вакуум компенсируется доставкой этих ионов из резервуара, и в идеальном случае металлический нанопринтер может работать до тех пор, пока не израсходуется весь объем резервуара. За счет особого механизма образования ионов, их транспортировки и эмиссии в вакуум отпадает необходимость в масс-сепарации ионного пучка, который более, чем на 99.9% состоит из однозарядных ионов рабочего металла (меди или серебра).

ЛИТЕРАТУРА

1. Reyntjens S., Puers R. // J. Micromech. Microeng. 2001. V. 11. P. 287.

2. Bischoff L., Mazarov P., Bruchhaus L., Gierak J. // Appl. Phys. Rev. 2016. V. 3. P. 021101.

3. Косячков A.A., Колесник B.H. // Приборы и техника эксперимента. 1994. Т. 37. Вып. 4. С. 500.

4. Machalett F., Muhle R. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. V. 27. P. 1286.

5. Han J., Cai M., Lin Y., Liu W., Luo X., Zhang H., Zhong M. // Appl. Surface Sci. 2018. V. 456. P. 726.

6. Owens B.B. // J. Power Sources. 2000. V. 90. P. 2.

7. Tolstogouzov A., Aguas H., Ayouchi R., Belykh S.F., Fernandes F., Gololobov G.P., Moutinho A.M.C., Schwarz R., Suvorov D.V., Teodoro O.M.N.D. // Vacuum. 2016. V. 131. P. 252.

8. Толстогузов А.Б., Белых С.Ф., Гололобов Г.П., Гуров B.C., Гусев С.И., Суворов Д.В., Таганов А.И., Fu D.J., Ai Z., Liu C.S. // Приборы и техника эксперимента. 2018. №2. С. 5.

9. Деспотули А.Л., Загороднев В.Н., Личкова Н.В., Миненкова Н.А. // Физика твердого тела. 1989. Т. 31.С. 242.

Claims (1)

1. Металлический нанопринтер на основе ионного источника с твердым электролитом, отличающийся тем, что содержит компактный ионный источник, состоящий из твердотельного резервуара, выполненного из рабочего металла высокой степени чистоты в виде цилиндра с заостренной вершиной, на поверхность которой нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами того же металла, заземленный электрод-экстрактор, ускоряющий ионный пучок и направляющий его на поверхность обрабатываемой подложки, пьезоэлектрический двигатель для прецизионного перемещения подложки в двух направлениях относительно ионного источника, блоки питания ионного источника и управления пьезоэлектрическим двигателем.

Images