Металлический нанопринтер на основе ионного источника с твердым электролитом

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.
63.5
36.5
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 CuGe 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.
4
16
7
13
4
5
4
2.5
2.5
+
+
-4
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 RbCuICI [6], RbAgI [7, 8] и CsAgBrI [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 Па.
22
3
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 10 ион/см. 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.