Ionstraalmachineren (IBM): principes, proces en industriële toepassingen

Wat is ionstraalmachineren?

Ionstraalmachineren (IBM) is een belangrijke niet-conventionele productietechnologie gebruikt in micro-/nanofabricatie, die een stroom versnelde ionen door elektrische middelen in een vacuümkamer gebruikt om atomen op het oppervlak van het object te verwijderen, toe te voegen of te wijzigen.

In IBM wordt een stroom geladen atomen (ionen) van inert gas, zoals argon, in een vacuüm versneld door hoge energieën en gericht naar een vast werkstuk. De straal verwijdert atomen van het werkstuk door energie en impuls over te dragen aan atomen op het oppervlak van het object.

Wanneer een atoom een cluster atomen op het werkstuk raakt, lost het tussen 0,1 en 10 atomen los van het werkstukmateriaal. IBM staat nauwkeurige machinering van vrijwel elk materiaal toe en wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie en in de fabricage van asferische lenzen.

De techniek wordt ook gebruikt voor het textureren van oppervlakken om hechting te verbeteren, voor het produceren van atomaire schone oppervlakken op apparaten zoals laser spiegel, en voor het wijzigen van de dikte van dunne films en membranen.

Werking van ionstraalmachineren

Ionstraalmachineren (IBM) is een atomaire-bit machinerenproces, gebruikt om een product te machineer met een hoge resolutie van de orde van 0,1 μm. Ionen van inerte gassen zoals argon met hoge kinematische energie van de orde van 10 KeV worden gebruikt om atomen van het werkstukoppervlak te bombarderen en uit te werpen door elastische botsing.

In tegenstelling tot werktuigmachine technologieën van snijden, slijpen en lapperen, heeft IBM geen inherente referentieoppervlak; het patronemasker fungeert als referentie. IBM kan gebruikt worden als micromachineren met een micro-ionstraal van 1–2 μm diameter samen met een hoge-precisie positiecontrole werktuigmachine.

IBM kan ook gebruikt worden voor asferische lenzen, scherpen van diamant microtoon messen en snijgereedschappen, IC patroon etsen, etc. De kosten van een IBM machine zijn zeer hoog, wat de machinerenkosten verhoogt en het proces onconomisch maakt.

Ionstraalmachineren Nauwkeurigheid

Praktische etssnelheden variëren tot 2000 Å (2 x 10⁻⁴ mm) per minuut. De nauwkeurigheid van het etsproces is aanzienlijk hoog, hoofdzakelijk door de kleine hoeveelheid materiaalverwijdering. Toleranties in de buurt van ± 50 Å (± 5 x 10⁻⁹ m) zijn mogelijk.

Toepassingen van ionstraalmachineren

Het wordt voornamelijk toegepast in micro-machineren (etsen) van elektronische componenten zoals computeronderdelen, figureren van optische oppervlakken en voor de precisiefabricatie van fijne draaddooiën in refractaire materialen. Typische materialen die geëtst kunnen worden zijn glas, alumina, kwarts, kristallen, silica, achaten, porselein, cermet en tal van metalen en oxiden.

Voordelen van ionstraalmachineren

Ionstraal heeft veel voordelen waaronder:

• Het proces is bijna universeel.
• Geen chemische reagentia of etsmiddelen vereist.
• Geen onderetsing zoals bij een ander chemisch etsproces.
• Etsnelheden zijn gemakkelijk te controleren.

Nadelen van ionstraalmachineren

Het proces heeft echter veel nadelen, namelijk:

• Het is relatief duur.
• Etsnelheden zijn langzaam.
• Hoewel vrijwel geen warmte gegenereerd wordt, is er weinig mogelijkheid voor enige thermische of stralingschade.