ماشین کاری با پرتوی یونی

[bigbang]

در اين روش ماشين كاري با پرتو يوني در يك محفظه خلاء و با اتمهاي بار دار (يون ) كه توسط ولتاژ شتاب دهنده از يك منبع يون به طرف هدف ( قطعه كار ) شليك ميشوندانجام مي شود.
ماشين پرتو يوني از سه قسمت اصلي تشكيل مي شود:
يك منبع پلاسما كه يون توليد مي كند.
شبكه هاي خارج كننده براي خارج كردن يون ها از پلاسما و شتاب دادن آنها به سمت بستر زيري (يا قطعه كار)
ميز نگهدارنده قطعه
منبع يون
براي اينكه با برخورد يون يا يونها بتوان يك اتم را از سطح جدا كرد بايد يك منبع يون با توان توليد پرتو قوي و انتشار انرژي قابل قبول وجود داشته باشد.
منبع پلاسما
يك فيلمان گرم ، اغلب از جنس تنگستن ، به عنوان كاتد عمل مي كند و الكترون ها به وسيله ولتاژ بالا ، بيش از 1kv ، از از آن به سمت آند شتاب مي گيرند. الكترون ها در مسير خود از كاتد به آند، در منبع پلاسما ( كه با نگه داشتن فشار گاز در 4- 10پيوسته مي ماند ) به اتم هاي آرگون برخورد مي كنند. واكنش زير در آنجا انجام مي گيرد
Ar e - Ar 2e-
بستر زيري
پس از خارج شدن يونها از منبع ، آنها در يك منطقه وارد مي شوند كه به سمت قطعه يا بستر زيري كه بايد ماشين كاري شود رانده مي شود. اغلب ميز با آب خنك كاري مي گردد و قابليت چرخش 0-90 درجه را دارد.
مكانيزم برخورد
اگر جرم يون كمتر از جرم اتم سطح باشد: يون به سمت بيرون بر مي گردد و اتم در يك جهت به داخل قطعه فرو مي رود.
اگر جرم يون بيشتر از اتم سطح باشد بدون توجه به جهت برخورد اتم و يون پس از برخورد به سمت داخل قطعه كار حركت مي كنند(كه البته معمولا انرژي اين دو كمتر از انرژي يون برخوردي و بيشتر از انرژي شبكه است)
يون تحت زاويه 90درجه به اتم برخورد كند: اتم مولفه سرعتي در جهت دور شدن از سطح ندارد و اين برخورد اوليه حداقل يك و اغلب دو برخورد ثانويه در زير سطح وبسيار نزديك به آن ايجاد مي كند. پس از برخورد يون با اتم هر ذره بايد بتواند نقطه برخورد را تحت زاويه بيش از 45 درجه نسبت به جهت اوليه سرعت يون ترك كند. پس امكان برخورد دومي در همان صفحه حركت وجود خواهد داشت.
مكانيزم هاي برخورد
اگر يون به صورت مايل به سطح برخورد كند: تسليم پودري در برخورد مايل چندين برابر برخورد عمود است. براي خروج اتم ها انرژي پيوندي بايد بيش از 5-10 ev باشد. خروج اتم ها به صورت تاثير زنجيره اي در قطعه بيشتر بوده و به اين ترتيب چندين اتم و يا مولكول از قطعه كار خارج مي شوند. يون برخوردي به عمق قطعه فرو مي رود و با جابجا كردن آنها اتم ها را تخريب مي كند. دانشمندان اثبات كرده اند كه تسليم به جنس قطعه، نوع اتم ها، انرژي آنها، زاويه برخورد و در بعضي مواقع فشار گاز بستگي دارد.
سرعت براده برداري
سرعت براده برداري در IBM بيشتر به صورت تجربي بوده است.

نتايج تجربي اسپنسر و اشميت به اين صورت است:
علاوه بر انرژي يون، عوامل ديگري هم بر تسليم موثرند،مثل زاويه برخورد، تناوب اتمي و يوني، گرماي تصعيد، كه اينها را مورد بررسي قرار دادند. كه مي گويند سرعت براده برداري تحت تاثير جهت كريستالي است.
يك روش ثبت سرعت براده برداري اندازه گيري سرعت تراشيدن است كه معمولا مقدار آن 1-2M m/s براي زواياي عمود و50 است.

نتيجه تجربي ديگري كه توسط سومخ ارائه شد:
او ثابت مي كند كه تسليم به جنس جسمي كه براده برداري مي شود، نوع اتم و انرژي آنها، زاويه برخورد و در بعضي موارد به فشار گاز بستگي دارد. رابطه سرعتي كه ارائه داد:
V(F)=9.6 * 10 25 * s(F)/ Cos F

سومخ به وابستگي تسليم به انرژي اتم ها در ماده براده برداري شونده اشاره مي كند.
بنابر اين، مقدار تسليم با گازهاي واكنشي تغيير مي كند.
اين گازهاي واكنشي با سطح جسم واكنش كرده و انرژي پيوند آنها ودر نتيجه سرعت براده برداري را تغيير مي دهد.
دقت و اثرات سطح
در روشIBM قطعاتي را به كوچكي 100 nm و طرح هايي كوچكتر از 10 nm را مي توان ماشينكاري كرد.
به وسيله IBM مي توان در سطح بافت هايي به شكل مخروطي و پشته اي به اندازه 1Mm ايجاد كرد. با اين روش ميتوان سطح را تا پرداخت سطحي ظريف تر از 1Mm صاف كرد.
محققان اعلام كردند كه يك سطح صاف را نيز مي توان بدون تغيير قابل توجهي در زبري آن ماشينكاري با پرتو يوني كرد.
نتايج گزارش شده توسط آنها حاكي بر اين است كه در ماشينكاري به عمق 100 nm زبري سطحي اوليه 1.5 nm كمتر از 1nm و-1nm تغيير مي كند.
كاربردها
صيقلي كردن
استفاده از IBMبرايصيقلي كردن آينه هاي ليزري و براي ضخامت لايه هاي نازك و غشاء ها، بدون تغيير پرداخت سطحي آنها
بافت دار كردن
بوسيله منبع يون كنترل شده اي ميتوان سطوح را بافت دار كرد. اين كاربرد شامل ايجاد پيوند بهتر سطحي، افزايش سطح خازن ها و عمليات سطحي قطعان پزشكي كه در بدن جايگذاري مي شوند.
تميز كاري
بوسيله IBM مي توان سطوحي را توليد كرد كه از نظر اتمي تميز باشند. به همين دليل اين روش نسبت به روشهاي EDM,EBM كه سطح را خراب ميكنند، كيفيت سطح بهتري را ارايه مي دهند. با تميز كاري بوسيله پرتو يون اكسيژن يا آرگون (پيش از تبخير) به پيشرفت هاي زيادي در چسباندن لايه هاي طلا به بسترهايي از جنس سليسيم و اكسيد آلومينيوم دست يافت.
شكل دهي ، پوليش و نازك كاري
براي بهتر كردن عمليات پوليش، نازك كاري با برخورد مايل يون هاي آرگون به كار رفته است . نازك كاري ماكروسكوپي و شكل دهي اجسام را مي توان در ساخت كلاهك هاي مغناطيسي و دستگاههاي موج صوتي سطح به كار برد.
با وجود برخورد عمودي يونهاي آرگون نمونه هايي از جنس سيليسيم تا ضخامت 15-10 ميكرومتر تميز كاري شده اند. توليد نمونه براي ريزنگاري الكتروني انتقالي كاربرد گسترده ديگري است.(TEM)

فرزكاري يوني
براي توليد آرايه هاي منظم حفره هايي به پهناي 200-5 ميكرومتر تا عمق 1 ميلي متر براي پيوند بهتر، فرزكاري پوششها به كار رفته است.

شكلهاي ستون مانند كه در توليد مقاومتهاي الكتريكي دقيق و آرايه هاي فيبر نوري مفيد هستند را مي توان با روش پرتو يوني توليد كرد.

معايب
در مكانيسم focuse ion beam اگر گازهاي آلي خاص در منطقه ي سطح بكار گرفته شوند يونها به مولكولهاي آلي برخورد مي كنند ودر نتيجه اين برخورد برخي گونه ها ي خنثي ممكن است در روي سطح رسوب كند بر حسب گاز مورد استفاده پلاتين وكربن و... ممكن است رسوب كند. براي افزايش سرعت نقش اندازي وكاهش اثر رسوب مجدد كه غير قابل اجتناب است يك گاز كمك كننده به برخورد معمولا استفاده ميشود.
در يكي از روش هاي ion beam نيازمند ساختن يك ماسك هستيم كه آسيب اين ماسك در طي عمل يكي ديگر از معايب اين تكنولوژي است.