Silniki jonowe i doskonalsze chipy

Co łączy proces produkcji układów scalonych z opracowywanymi przez NASA silnikami jonowymi? I chipy, i silniki jonowe mogą zostać udoskonalone dzięki najnowszemu osiągnięciu uczonych z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Opracowali oni lepszą metodę napylania jonowego.

W przemyśle półprzewodnikowym metalowe warstwy są nanoszone na podłoże krzemowe właśnie za pomocą napylania jonowego. Technika ta polega na wykorzystaniu plazmy, uzyskiwanej najczęściej z argonu, którą umieszcza się za pomocą pola magnetycznego pomiędzy warstwą metalu a produkowanym obwodem. Plazma wybija jony z metalu, a te przepływają do obwodu, gdzie są osadzane. Obecnie najczęściej wykorzystywaną techniką napylania jonowego jest opracowane w latach 90. impulsowe magnetronowe napylanie wysokosprawne (HIPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering), która znacznie zwiększyło liczbę jonów metali osadzających się na podłożu, co z kolei polepsza jakość pokrycia. Jednak nawet w HIPIMS prąd wyładowczy ma ponaddziesięciokrotnie wyższe natężenie, niż jony docierające do krzemowego podłoża. Specjaliści z LBNL wykorzystali HIPIMS i odwrócili sytuację: wbrew intuicji natężenie jonów w pewnych warunkach znacznie przewyższa natężenie prądu wyładowczego.

Andre Anders, dyrektor Plasma Application Group, mówi: nie złamaliśmy tutaj żadnego prawa natury. Cała sztuczka polega na dostarczaniu do magnetronu w dość znacznych odstępach czasu krótkich impulsów prądu o wysokim napięciu. Gdy jest ono wystarczająco wysokie, wartość natężenia jonów nie spada w miarę spadku ilości gazu, ale jest ona podtrzymywania przez pojawianie się kolejnych jonów i wchodzi na kolejny, wyższy poziom. Mamy do czynienia ze stale podtrzymywaną reakcją, która zachodzi tak długo, jak długo dostarczane są impulsy elektryczne. W efekcie elektrony są przyspieszane w znacznej odległości od miejsca docelowego i powstaje gęsta plazma złożona z jonów metali. Dzięki temu uzyskujemy jednorodne, świetnej jakości pokrycie metaliczne o bardzo dobrych właściwościach.

Nowa technologia może znaleźć szerokie zastosowania, ale najpierw kilka słów wyjaśnienia, w czym jest ona lepsza od metod dotychczas używanych. Obecnie używane magnetronowe "napylacze" wykorzystują silne pole elektryczne generowane pomiędzy celem (katodą) a pobliską anodą. W pewnej odległości od celu znajduje się podłoże, które ma zostać pokryte. Wszystko umieszczone jest w komorze, do której wpuszczany jest neutralny gaz, na przykład argon. Gaz jest jonizowany, aż powstanie plazma (mieszanina jonów i wolnych elektronów). Pole elektryczne katody przyspiesza jony plazmy, które w nią uderzają, uwalniając atomy metali. Przyspieszenie zachodzi przede wszystkim w tzw. płaszczu - warstwie granicznej, w której pole elektryczne skoncentrowane jest pomiędzy celem a plazmą. Płaszcz nie tylko przyspiesza jony w kierunku celu, ale także przyspiesza elektrony w kierunku od celu do plazmy. Magnes stały umieszczony od celem generuje pole magnetyczne, które utrzymują większość elektronów w pobliżu celu.

W nowej technologii jony ponownie wracają do celu i wybijają dodatkowe atomy. Część z nich pozostaje neutralna i przemieszcza się w kierunku krzemowego podłoża, inne zostają zjonizowane i służą do wybijania kolejnych jonów i wolnych elektronów.
W efekcie mamy do dyspozycji coraz więcej jonów.

Oczywiście większą liczbę jonów można by teoretycznie uzyskać za pomocą obecnych technik. Wystarczy tylko zwiększyć moc dostarczanego prądu. Jednak przy zwiększeniu mocy istnieje ryzyko przegrzania systemu do tego stopnia, iż magnesy się rozmagnetyzują lub dojdzie do stopienia krzemowego podłoża. Zarówno magnesy jak i katoda muszą być chłodzone wodą. W zastosowaniach przemysłowych używa się rozpylacza o średniej mocy około 1 kilowata - mówi Anders. Właśnie ta "średnia" jest tutaj bardzo ważna. Gdy bowiem dostarcza się prądu w krótkich impulsach, mogą one przekraczać średnią o setki razy, dzięki czemu uzyskujemy znacznie więcej jonów i wolnych elektronów, a więc znacznie lepsze pokrycie. Liczba jonów wytworzonych w takich warunkach jest dostatecznie duża do tworzenia pokrycia, jak i wystarczająca do powrotu do celu i pozyskania kolejnych jonów. System sam się podtrzymuje, gdyż w plazmie dominują jony metalu, a nie gaz, a w płaszczu mamy dodatkowe nadmiarowe elektrony tworzące nadmiarową plazmę. System po chwili samodzielnie się stabilizuje, ale już na wyższym poziomie, niż poprzednio.

W tradycyjnych metodach napylania gaz potrzebny do uzyskania plazmy powoduje, że pokrycia nie są jednorodne, a mogą nawet przypominać gąbkę. Jednak w nowej technologii w plazmie już nie dominuje gaz, a więc w pokryciu nie powstają luki. Ponadto wysoka koncentracja jonów pozwala na nałożenie ich nawet w najtrudniej dostępnych miejscach. To z kolei umożliwia tworzenie doskonalszych układów scalonych. Ponadto, jako że nowa technologia dobrze sprawdza się w próżni, może zostać w przyszłości wykorzystania zarówno do napylania materiałów w przestrzeni kosmicznej, jak i do stworzenia jonowego silnika, którego paliwem będzie tani niepalny metal. Inne potencjalne egzotyczne zastosowanie nowej technologii to użycie jej do pokrywania wnętrz akceleratorów cząstek niobem, materiałem, z którym bardzo trudno jest obecnie pracować.
Podczas dotychczasowych eksperymentów Anders i Joakim Andersson wykorzystali prąd o natężeniu 250 amperów, a więc o wartości znacznie większej, niż kiedykolwiek stosowana w magnetronach.

plazma napylanie jonowe silnik jonowy układ scalony HIPIMS impulsowe magnetronowe napylanie wysokosprawne