聚焦離子束加工單晶金剛石的亞表層損傷研究

鹿 玲，靳田野，陳俊云

（1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)車輛工程與能源學(xué)院，河北秦皇島066004）

聚焦離子束加工單晶金剛石的亞表層損傷研究

鹿 玲1，?，靳田野1，陳俊云2

（1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)車輛工程與能源學(xué)院，河北秦皇島066004）

為保證聚焦離子束（FIB）制造微細(xì)零部件或微刀具等的加工表面使用性能和使用壽命，研究了使用FIB技術(shù)加工單晶金剛石超硬材料的亞表層損傷。從粒子碰撞和能量交換兩種角度分析了FIB加工亞表層損傷的形成原理，利用SRIM軟件模擬了FIB加工單晶金剛石的離子轟擊過程，確定了FIB亞表層損傷區(qū)域橫截面半徑，以及亞表層損傷深度。研究表明，理論上FIB加工金剛石靶材，其亞表層損傷截面半徑不超過微米級(jí)零部件特征尺寸的2%，損傷深度不超過1%。

FIB；亞表層損傷；金剛石；SRIM

0 引言

近年來，F(xiàn)IB加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微納米零部件制造、精密儀器關(guān)鍵元件加工、微刀具制造、材料檢測(cè)樣品制備和生物工程領(lǐng)域的研究［1?3］，它可以在納米尺度實(shí)現(xiàn)離子刻蝕、離子注入和離子減薄等功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微小元器件的精細(xì)修整和整體加工。與傳統(tǒng)加工工藝相比，F(xiàn)IB具有加工尺度小、加工精度高、加工工藝簡(jiǎn)單、加工零件幾何形狀不受限制等優(yōu)勢(shì)，是微電子產(chǎn)品制造、精密儀器零部件制造和光學(xué)零件制造等領(lǐng)域最具前景的加工方法之一。除此之外，對(duì)于微細(xì)切削刀具的研制［4?6］，特別是應(yīng)用較為廣泛的超硬材料微刀具，傳統(tǒng)工藝受微刀具尺寸的限制，既無法保證加工質(zhì)量，又無法對(duì)加工完成的微刀具進(jìn)行在位檢測(cè)。而如今FIB?SEM雙束加工系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，對(duì)于高質(zhì)量微刀具制造具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

但也由于FIB加工零件特征尺寸較小，對(duì)加工完成后材料亞表層損傷的檢測(cè)非常困難。而FIB加工原理是對(duì)被加工材料表面的原子級(jí)去除，材料損傷范圍可能非常小，但對(duì)微納零部件來說，這種極小的亞表層損傷相對(duì)于其特征尺寸也有可能較為嚴(yán)重，并對(duì)其使用性能造成影響。所以，本文針對(duì)應(yīng)用于制備微刀具的常用超硬材料，從理論上對(duì)FIB加工后材料亞表層損傷范圍進(jìn)行分析，以對(duì)超硬材料微刀具的制備提供理論指導(dǎo)。

1 FIB加工亞表層損傷形成原理

1.1 粒子碰撞原理

圖1為入射離子與固體原子碰撞過程中產(chǎn)生的多種粒子。這些粒子帶有豐富的表面信息，能夠幫助探索當(dāng)離子束轟擊靶材表面時(shí)，表層和亞表層原子的物理狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

當(dāng)入射離子撞擊靶材原子后，產(chǎn)生彈性或非彈性碰撞，使靶材原子濺射出靶材表面，形成濺射原子；當(dāng)入射離子與靶材原子發(fā)生碰撞后，離子出射方向與入射方向相反并最終濺射出靶材表面，形成散射離子；當(dāng)入射離子射入靶材表面，最終能量損失殆盡并留在靶材晶格中形成注入離子；當(dāng)入射離子與靶材原子發(fā)生碰撞后，靶材原子核周圍的電子受到激發(fā)，飛離靶材表面，形成二次電子，同時(shí)，失去電子的靶材原子受電離變?yōu)殡x子，形成二次離子。另外，在靶材原子受到碰撞后，一部分變成散射離子飛離靶材表面，而另一部分將繼續(xù)與附近的靶材原子進(jìn)行碰撞，這種現(xiàn)象稱之為級(jí)聯(lián)碰撞。同時(shí)，在原子電離及電子躍遷過程中，也會(huì)釋放出一部分X射線和光子。

圖1 入射離子與固體原子碰撞過程中產(chǎn)生的多種粒子Fig.1 Various particles induced by collision between incident ions and target atoms

聚焦離子束材料去除主要是通過離子與靶材表層原子的碰撞來實(shí)現(xiàn)的，而大部分的原子移位是通過級(jí)聯(lián)碰撞引發(fā)的。當(dāng)聚焦離子束轟擊到被加工材料表面時(shí)，離子與材料表層原子發(fā)生碰撞或發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，使表層原子移位，從而實(shí)現(xiàn)表層材料的原子級(jí)去除。

受到碰撞后的靶材原子一部分成為濺射原子脫離靶材表面，另一部分則僅僅會(huì)發(fā)生移位，并不飛離靶材表面。當(dāng)靶材原子發(fā)生移位時(shí)，一部分移位將在此位置形成空位，另一部分發(fā)生復(fù)位碰撞，新的反沖原子將填充空位變成填隙原子。通常來說，復(fù)位碰撞遠(yuǎn)少于空位。所以，發(fā)生碰撞后，靶材表面的移位滿足如下公式：

當(dāng)靶材表層某一位置產(chǎn)生了空位，導(dǎo)致該位置顯微組織結(jié)構(gòu)不完整，則認(rèn)為該處存在亞表層損傷。另外，注入離子或反沖原子離位并最終靜止后，將會(huì)在靶材表面或亞表面形成無定型結(jié)構(gòu)，形成另外一種形式的亞表層損傷。

1.2 能量交換原理

當(dāng)入射離子進(jìn)入靶材后，將會(huì)與靶材原子發(fā)生碰撞，這個(gè)碰撞同時(shí)也是能量交換的過程。

Ed為能夠?qū)胁脑訌木Ц裰械奈恢米矒舫鋈プ銐蜻h(yuǎn)的距離使它無法迅速回位的最小能量移位能；El為使一個(gè)靶材原子從晶格中移除所需要的最小能量晶格束縛能；Es為一個(gè)靶材原子濺射出靶材表面所需要的最低能量表面束縛能，一般認(rèn)為表面束縛能小于晶格束縛能；Ef為運(yùn)動(dòng)原子的最終能量，低于該能量的原子被認(rèn)為靜止在靶材中。

假設(shè)一個(gè)入射離子的原子數(shù)為Z1，且具有能量E，并在入射后與靶材原子Z2進(jìn)行碰撞。碰撞結(jié)束后，入射離子Z1的能量變?yōu)镋1，靶材原子Z2接收到Z1的能量傳遞，能量變?yōu)镋2。

若發(fā)生碰撞后，E2＞Ed，即靶材原子所具有的能量大于移位能，靶材原子將發(fā)生移位；若E1＞Ed且E2＞Ed時(shí)，入射離子與靶材原子均不會(huì)在此位置停留，所以此位置將形成空位。在此過程中，E2將受到El的束縛而逐漸減小。

若發(fā)生碰撞后，E1＜Ed，E2＞Ed，且Z1＝Z2，靶材原子將會(huì)發(fā)生移位，而入射離子將會(huì)占據(jù)靶材原子原來的位置，稱之為復(fù)位碰撞，其擁有的能量E1將會(huì)以X射線或光子的形式消散。如果在這種能量分配的條件下 Z1≠Z2，則 Z1將會(huì)變?yōu)樘钕对印?/p>

若發(fā)生碰撞后，E2＜Ed，即靶材原子所具有的能量小于移位能，靶材原子將會(huì)發(fā)生少許震動(dòng)，但并不會(huì)發(fā)生移位，并最終回歸原子狀態(tài)。其擁有的能量E2將會(huì)以X射線或光子的形式消散。

若發(fā)生碰撞后，E1＜Ed，E2＜Ed，則最終靶材原子將會(huì)保持原來的狀態(tài)不變，而入射離子將會(huì)成為填隙原子。E1＋E2將會(huì)以X射線或光子的形式消散。

所有的粒子若想保持運(yùn)動(dòng)，其具有的能量必須始終大于Ef。若靶材原子想濺射出靶材表面需要滿足兩個(gè)條件：1）該原子的最終速度方向與離子入射方向相反，即靶材外方向；2）Ef＞Es，即該原子最終能大于靶材表面束縛能。

綜上，從能量交換的角度上說，形成亞表層損傷的原因?yàn)榘胁脑铀邮艿哪芰坎荒苁蛊錇R射出靶材表面也不能回到原來的位置，即E2＞Ed且Ef＜Es。

2 單晶金剛石FIB加工的亞表層損傷區(qū)域研究

2.1 研究方法

本文使用SRIM（Stopping and Range of Ion in Matter）模擬分析軟件對(duì)單晶金剛石材料的FIB材料去除過程進(jìn)行了模擬仿真。該軟件應(yīng)用蒙特卡羅模擬方法跟蹤每個(gè)移動(dòng)的粒子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子束轟擊過程中每個(gè)離子運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬［7?8］。針對(duì)FIB的模擬仿真，SRIM可以完成以下工作：1）不同能量及不同角度入射離子在靶材原子中的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況；2）反沖原子在靶材中的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況；3）離子濺射產(chǎn)額；4）在某一劑量下，離子轟擊后產(chǎn)生的空位數(shù)；5）粒子碰撞過程中的能量損耗。

濺射產(chǎn)額為每個(gè)入射離子能夠產(chǎn)生濺射原子個(gè)數(shù)的平均值，濺射產(chǎn)額的穩(wěn)定性能夠確定整個(gè)離子束轟擊過程的穩(wěn)定程度。國(guó)內(nèi)外研究表明，由于蒙特卡羅方法的原理是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度解決隨機(jī)問題，則入射離子個(gè)數(shù)影響了濺射產(chǎn)額的穩(wěn)定性。當(dāng)入射離子個(gè)數(shù)小于500個(gè)的時(shí)候，濺射產(chǎn)額呈波動(dòng)趨勢(shì)，且數(shù)值較大；當(dāng)入射離子個(gè)數(shù)逐漸增大，直至大于500個(gè)時(shí)，濺射產(chǎn)額將趨于穩(wěn)定，并最終在某一定值附近收斂［9?10］。針對(duì)金剛石的離子束轟擊，為了能夠保證濺射產(chǎn)額的穩(wěn)定，且減少計(jì)算時(shí)間，提高仿真效率，擬選取入射離子個(gè)數(shù)為2 000個(gè)。

仿真中使用的金剛石材料基本物理參數(shù)如表1所示。FIB實(shí)際工作電壓為5～30 keV。

表1 金剛石靶材的基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of the diamond target

2.2 亞表層離子射程的研究

對(duì)于離子轟擊后靶材亞表層損傷的研究，首先確定在某一工作電壓下入射離子在靶材中的射程。圖2為在不同離子入射能量下，使用鎵離子轟擊金剛石靶材時(shí)的離子射程曲線。如圖2所示，離子入射能量與離子射程呈線性分布，隨著離子入射能量的增大，離子射程逐漸增大。在FIB工作電壓30 keV以內(nèi)，鎵離子在金剛石靶材中的離子射程小于16 nm。由于金剛石中的C?C鍵強(qiáng)度較大，入射鎵離子難于深入金剛石靶材的表面。

圖2 金剛石靶材中離子入射能量與離子射程的關(guān)系Fig.2 The relation between incident energy and ion range in diamond target

2.3 離子轟擊后的原子離位

由式（1）知，并非所有的靶材原子移位都能夠產(chǎn)生空位，一部分原子將以復(fù)位碰撞的形式填充部分空位。圖3為每個(gè)離子轟擊金剛石靶材后產(chǎn)生的移位數(shù)、空位數(shù)和復(fù)位碰撞數(shù)的關(guān)系曲線。如曲線圖所示，離子入射能量與產(chǎn)生的移位數(shù)、空位數(shù)和復(fù)位碰撞數(shù)成線性關(guān)系。其中，靶材原子復(fù)位碰撞占總移位的10%左右，其余90%都會(huì)產(chǎn)生空位，即發(fā)生靶材表層損傷。在FIB工作電壓5～30 keV范圍內(nèi)每個(gè)入射離子在金剛石靶材表層內(nèi)產(chǎn)生的空位數(shù)約為70～330個(gè)。

如1.2所述，若發(fā)生復(fù)位碰撞，兩相互碰撞的原子必須滿足：E1＜Ed，E2＞Ed，且Z1＝Z2。由于離子入射能量遠(yuǎn)大于Ed，所以僅在反沖離子能量消耗殆盡時(shí)才會(huì)發(fā)生復(fù)位碰撞。因此，發(fā)生復(fù)位碰撞的原子個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生的空位。對(duì)于金剛石靶材，其靶材原子僅為單一的C原子，離子轟擊所生成的反沖原子必滿足Z1＝Z2，所以金剛石靶材比多種原子靶材更容易發(fā)生復(fù)位碰撞。

圖3 轟擊金剛石靶材后移位數(shù)、空位數(shù)和復(fù)位碰撞數(shù)關(guān)系Fig.3 Relations among displacements，vacancies and replacement collisions in diamond target

2.4 離子轟擊亞表層損傷面積

由于入射離子傳遞給靶材原子的能量遠(yuǎn)大于其移位能，所以級(jí)聯(lián)碰撞所導(dǎo)致的靶材原子移位是造成靶材表面損傷的決定因素。圖4為5 keV和30 keV離子入射能量下，金剛石靶材表面內(nèi)所有反沖原子運(yùn)動(dòng)軌跡的橫截面圖。其中，每一個(gè)有色點(diǎn)都是一個(gè)被激發(fā)的反沖原子。由于在入射離子和靶材原子的運(yùn)動(dòng)過程中存在庫倫力的作用，粒子將受到牽引或排斥，產(chǎn)生徑向速度，導(dǎo)致?lián)p傷層橫截面積的變化。圖5為5～30 keV離子入射能量下，離子入射能量與損傷區(qū)域半徑的關(guān)系。由圖可知，隨著離子入射能量的增大，損傷橫截面半徑增大。這一方面是由于隨著能量的增大，入射離子射程增大，導(dǎo)致碰撞深度增加；另一方面隨著入射能量增大，反沖離子接收到的能量也增大，導(dǎo)致反沖離子動(dòng)能增加，運(yùn)動(dòng)范圍更廣。

針對(duì)FIB加工來說，經(jīng)分析，在工作電壓范圍內(nèi)，金剛石靶材反沖原子的損傷截面半徑小于17 nm。對(duì)于特征尺寸在微米級(jí)的常見微細(xì)零部件來說，其損傷區(qū)域面積不超過2%，對(duì)于微細(xì)加工刀具來說，其幾何尺寸一般大于10 μm，損傷層面積不超過其特征尺寸的0.2%。

圖4 金剛石靶材中反沖原子的損傷范圍Fig.4 Damage ranges of recoil atoms in diamond target

圖5 離子入射能量與損傷區(qū)域半徑的關(guān)系Fig.5 Relation between incident beam energy and radius of damage range

2.5 離子轟擊亞表層損傷深度

離子轟擊靶材表面損傷層深度對(duì)FIB加工后的產(chǎn)品使用性能和使用壽命有很大影響。SRIM軟件能夠分析離子分布深度與產(chǎn)生的移位數(shù)、空位數(shù)的關(guān)系。但是得到的曲線縱坐標(biāo)單位為“（at?oms／cm3）／（ion／cm2）”，其定義為每平方厘米每個(gè)離子能夠在每立方厘米產(chǎn)生的空位數(shù)。為了得到空位數(shù)與損傷層深度的直接關(guān)系，需要將縱坐標(biāo)乘以一個(gè)劑量，單位“（ion／cm2）”，其定義為每平方厘米的入射離子個(gè)數(shù)，經(jīng)過換算可以轉(zhuǎn)換為離子入射流量。在同一離子入射能量下，每個(gè)入射離子的動(dòng)能相同，假設(shè)離子入射角度不會(huì)發(fā)生改變，那么每個(gè)離子射入靶材的最大深度必然相等。在入射離子受到庫侖力的作用下，離子入射角度將會(huì)發(fā)生偏離，入射離子個(gè)數(shù)的增加僅會(huì)對(duì)轟擊影響區(qū)域橫截面積造成影響，并不會(huì)影響離子入射深度。所以在對(duì)損傷層深度的研究中，離子個(gè)數(shù)，即劑量可以取任意值（離子個(gè)數(shù)必須足夠多）。本研究所選取的劑量為1015ion／cm2，旨在計(jì)算簡(jiǎn)潔，并能夠明顯反應(yīng)出靶材表層深度與空位數(shù)之間的關(guān)系。

圖6為5～30 keV離子入射能量下，金剛石靶材表層深度與空位密度之間的關(guān)系曲線。由曲線圖可知，在某一固定離子入射能量下，隨著靶材亞表層深度增加，空位密度先增加后減小，最終趨近于0，每個(gè)離子入射能量下都存在一個(gè)空位密度最大的亞表層深度，此處為級(jí)聯(lián)碰撞最集中的位置，損傷也最嚴(yán)重。另外，隨著離子入射能量的增加，離子轟擊損傷層加深；隨著入射能量增加，離子束轟擊所導(dǎo)致的最大空位密度逐漸增加。

圖6 不同離子入射能量下靶材表層深度與空位密度的關(guān)系Fig.6 Relation between the depth of target and vacancy density with various incident beam energies

針對(duì)金剛石靶材，在5 keV、10 keV、15 keV、20 keV和30 keV離子入射能量下，空位基本消失時(shí)，靶材表層深度分別為8 nm、13 nm、18 nm、23 nm、25 nm和30 nm；損傷最大處深度分別為3 nm、5 nm、7 nm、8 nm、9 nm和11 nm。

對(duì)于微米級(jí)微細(xì)零部件來說，F(xiàn)IB加工后，材料亞表面損傷層深度約為零件特征尺寸的1%；對(duì)于微細(xì)加工刀具來說，F(xiàn)IB加工所產(chǎn)生的材料亞表面損傷層深度不超過其幾何尺寸的0.1%。這種損傷程度并不影響金剛石微細(xì)零件的實(shí)際應(yīng)用，可靠性非常高。

3 結(jié)論

1）從粒子碰撞角度分析了FIB加工亞表層損傷機(jī)理。研究表明，F(xiàn)IB加工亞表層損傷存在兩種形式，一種為空位，另一種為入射離子和反沖原子離位所導(dǎo)致的顯微組織結(jié)構(gòu)無定型化；

2）從能量交換角度分析了FIB加工亞表層損傷機(jī)理。研究表明，形成亞表層損傷的原因?yàn)榘胁脑铀邮艿哪芰坎荒苁蛊錇R射出靶材表面也不能回到原來的位置，即E2＞Ed且Ef＜Es。

3）針對(duì)金剛石靶材，應(yīng)用SRIM軟件研究了離子束濺射加工時(shí)靶材表層損傷。研究結(jié)果表明，在FIB的正常工作電壓下（5～30 keV），每個(gè)入射離子產(chǎn)生的空位數(shù)330個(gè)；靶材損傷區(qū)域橫截面半徑小于17 nm，損傷層區(qū)域半徑不超過常見微細(xì)零部件特征尺寸的2%，不超過微細(xì)加工刀具幾何尺寸的0.2%；靶材損傷層深度為30 nm；受損傷最大處深度為11 nm。損傷層深度不超過常見微細(xì)零部件特征尺寸的1%，不超過微細(xì)加工刀具幾何尺寸的0.1%。

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Subsurface damage in single crystal diamond induced by focused ion beam

LU Ling1，JIN Tian?ye1，CHEN Jun?yun2
（1.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；2.School of Vehicles and Energy Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

In order to upgrade the functional performance and expand the life?span of micro components and micro cutting tools fab?ricated by focused ion beam（FIB），the subsurface damage of super?hard single crystal diamond induced by ion beam is investiga?ted.Subsurface damage evolving mechanism is analyzed based on particle collision and energy transformation theory.FIB sputtering process is simulated by using soft package SRIM，and the cross section radius and depth of subsurface damage area are determined in the simulating process.The research results show that the section radius and depth of damaged subsurface induced by FIB on sin?gle crystal diamond targets are less than 2%and 1%of the related characteristic dimensions of micro components，respectively.

FIB；subsurface damage；diamond；SRIM

TH161

A

10．3969／j．issn．1007?791X．2015．05．006

1007?791X（2015）05?0420?05

2015?06?25

?鹿玲（1964?），女，江蘇邳州人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)機(jī)械、精密與超精密加工技術(shù)、自潤(rùn)滑軸承材料及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，Email：luling＠ysu.edu.cn。