ТЕМА
Ионнаяимплантация
1. Ионная имплантация
1.1 Общее понятие ионнойимплантации
Ионная имплантация –метод легирования поверхностных слоев, заключающийся в обработке поверхности потокомвысокоэнергетичных ионов и внедрении их в объеме материала.
Процессы ионнойимплантации были использованы впервые для моделирования процессов, протекающихв твердых телах при их радиационной обработке. Было установлено, что врезультате внедрения 1 иона тяжелых элементов в поверхностный слой числодефектов в 106 раз больше по сравнению с числом дефектов, образующихся врезультате воздействия 1 нейтрона. Следовательно, используя обработкуповерхности ионами, можно в 106 раз снизить дозу облучения для получения такогоже эффекта, значительно интенсифицировать процессы генерации радиационныхповреждений и сократить, таким образом, продолжительность исследований повыбору радиационно-стойких материалов.
Ионная имплантацияхарактеризуется следующими основными преимуществами:
1) отсутствиетермодинамических ограничений по составу образующихся в поверхностных слоях сплавови химических соединений. Используя ионную имплантацию, принципиально возможнополучение систем сложного состава с любым сочетанием компонентов;
2) при ионной имплантацииформируются неравновесные метастабильные структуры, которые в ряде случаев имеютуникальные физико-механические свойства. Данная особенность обусловлена тем,что процессы структурообразования протекают в условиях очень быстрогоохлаждения (скорость охлаждения может достигать значений ~106 К/c);
3) универсальность игибкость процесса; методом ионной имплантации удается получить слои снеобходимым профилем концентраций легирующих элементов, структурным состоянием.Часто для регулирования характера распределения имплантированных атомов вповерхностном слое используется дополнительная термообработка;
4) высокая чистотапроцесса (процесс осуществляется в высоком вакууме); высокая автоматизация;широкие возможности в управлении ионным пучком, возможность локальнойобработки;
5) возможностьосуществления процесса при различных условиях и режимах, в том числе и приотносительно низкой температуре поверхности;
6) возможность созданияповерхностных слоев с высокими физико-механическими свойствами, которые трудноили даже невозможно получить другими методами обработки.
К основным недостаткампроцесса ионной имплантации можно отнести:
1) образование вповерхностных слоях высокой концентрации дефектов. При высокой дозе облученияобразуются даже аморфные слои. Для устранения дефектности проводят термическуюобработку, в частности, кратковременный отжиг при температуре 400…700 0С;
2) относительно сложноетехнологическое оборудование и низкая производительность процесса обработки.
1.2 Физические основыметода
Процесс ионнойимплантации и состояние модифицированных слоев характеризуются следующими основнымипараметрами, изменение которых оказывает определяющее влияние на свойстваобрабатываемых поверхностей:
1) Распределениевнедренных атомов по толщине. Оно зависит от энергии ионов, природы материалаподложки, температуры поверхности. Для регулирования профиля распределенияплотности легирующих атомов, как уже отмечалось, используется дополнительнаятермообработка.
2) Максимальнаядопустимая доза легирования – количество ионов, внедренных на единицеповерхности обрабатываемой детали. Как правило, эта доза находится в пределах D= 1016…1018 ион/см2.
3) Параметры,характеризующие взаимодействие ионов с атомами поверхностного слоя (скоростьобразования дефектов, характер и структура образующихся химических соединений ит. д.).
4) Параметры,определяющие изменения структуры и свойств легированных слоев в зависимости отдозы облучения, плотности радиационных дефектов и т.д.
Основной характеристикойстепени обработки при ионной имплантации является распределениеимплантированных ионов по толщине поверхностного слоя. При взаимодействии ионас поверхностью в процессе многократных столкновений с атомами мишени происходитпередача кинетической энергии, и в итоге ион, внедрившийся на некотороерасстояние от поверхности, теряет эту энергию полностью. Для характеристикиэтого процесса используют следующие параметры: пробег иона R – это путь,который проходит ион до полной потери кинетической энергии (на основанииэкспериментальных данных этот параметр определить сложно); проекцию пробегаиона Rx – расстояние, на которое внедрился ион от поверхности (рисунок 9.1).
/>
Рисунок 9.1 – Схемавзаимодействия иона с атомами мишени
Проекция пробега иона Rxэкспериментально определяются достаточно просто, используя, например, методымасс-спектроскопии. Для характеристики взаимодействия большого числа ионов споверхностью используют функцию распределения плотности имплантированных атомовпо толщине слоя dN/dx (dN – число имплантированных атомов, находящихся нарасстоянии x от поверхности в слое толщиной dx) (рисунок 9.2).
/>
Рисунок 9.2 – Характерныефункции распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя: 1-приэнергии ионов Е1; 2 –при энергии ионов Е2
(Е2 >Е1)
В общем случае функцияdN/dx зависит от соотношения масс атомов поверхности и ионов, энергии иона,структуры поверхностного слоя (типа кристаллической решетки). Она чувствительнак протяженным дефектам, зависит от температуры и структурных характеристикповерхностного слоя.
Рассмотрим влияниеэнергии ионов на процессы энергообмена при их столкновении с атомами мишени.При движении ионов в объеме поверхностного слоя различают два вида потерьэнергии:
— Потери энергии привзаимодействии с электронами в свободном или связанном состоянии. Этот видвзаимодействия характеризуется Sе – коэффициентом электронной составляющейторможения.
— Потери энергии привзаимодействии с ядрами. Этот вид потери учитывает параметр Sя – ядернаясоставляющая процесса торможения.
В общем случае, изменениеэнергии иона dE при прохождении им расстояния dx может быть оценено с помощьювыражения
/>
где N – концентрацияатомов мишени.
Отсюда
/>
Тогда проекция пробега
/> (9.1)
Известно, что ядернаясоставляющая процесса торможения Sя практически не зависит от энергии ионов.Электронная составляющая прямо пропорциональна скорости иона (рисунок 9.3):
Se = a V = k E0,5
(а и k — постоянные дляданного иона и материала мишени коэффициенты).
/>
Рисунок 9.3 – Зависимостьядерной (1) и электронной (2) составляющих процесса торможения от энергии иона
Как видно из рис. 9.3, приэнергии иона Е = Ек ядерная и электронная составляющие равны (Se=Sя). Оценкипоказывают, что для металлов
Ек=103…104 эВ.
При анализе (9.1)рассмотрим характерные случаи.
1. Обработка поверхностиионами, имеющими низкую энергию (Е>Sе и из (9.1) следует, что Rx~Е.
2. Воздействие наповерхность высокоэнергетичных ионов (Е>>Ек). Тогда Sя
Rx=5Е0,5йййй (9.2)
Отметим, что второйслучай является весьма характерным для практических приложений, и выражение(9.2) часто используется при проведении предварительных расчетов. Так,например, при обработке ионами с энергией Е=106 эВ (или Е=16.10-14Дж) глубинавнедрения ионов Rx= 2 мкм.
Из данного рассмотренияследует, что при внедрении ионов низких энергий преобладают процессывзаимодействия с ядрами (Sя>Sе) и радиационные дефекты (вакансии и межузельные атомы) образуютсявдоль всей траектории движения ионов. Если же имеет место обработка ионамивысоких энергий, то радиационные дефекты образуются только в конце пробегаионов, когда ионы имеют достаточно низкую энергию.
Как правило, приобработке ионами средней энергии максимум концентрации имплантированных атомовприходится на расстояние 0,1…0,8 мкм от поверхности. Концентрация легирующихэлементов в этом слое может достигать 1…30 %.
Оборудование,использующееся для ионной имплантации, как уже отмечалось, является довольносложным и включает следующие основные блоки: источник ионов; системы ускорения,фокусировки и сепарации ионов; системы крепления и вращения детали (рисунок9.4).
/>
Рисунок 9.4 –Принципиальная схема установки для ионной имплантации: 1–камера ионизации;2–ускоряющие и фокусирующие линзы; 3–система сепарации ионов; 4–мишень;5–система нагрева мишени; 6–поток ионов
В рабочей камересоздается достаточно низкое давление (Р= 10-5…10-4 Па), и с помощью источникаионов, фокусирующей и ускоряющих линз, системы сепарации формируетсянаправленный поток высокоэнергетичных ионов. Обрабатываемая мишеньпредварительно нагревается и помещается в зоне действия ионного потока.
Разработаны установки,позволяющие получать потоки ионов с плотностью тока ~ 100 мкА/см2 (общий ток до 5 мА) иэнергией ионов 20…200 кэВ. Диаметр пучка ионов достигает 1…2 см. В процессеобработки деталь нагревают до 600 0С. Нагрев может быть осуществлен с помощьюрезистивных элементов или же производится в процессе обработки под действиемпучка ионов. Рекомендуемая оптимальная доза обработки составляет D ~ 1017ион/см2.
1.3 Структура и свойстваимплантированных слоев
Поверхностные слои,обработанные методом ионной имплантации, характеризуются, прежде всего, высокойдефектностью. При взаимодействии ионов с атомами мишени происходит смещениепоследних, и образуются межузельные атомы и вакансии. Если мощность ионногопотока и энергия высоки, то наблюдается возникновение вакансионных кластеров,т. е. скоплений дефектов. При этом профиль распределения дефектов по толщинесхож с профилем распределения по толщине имплантированных атомов, т.е. максимумдефектов образуется на некотором расстоянии от поверхности и при увеличенииэнергии ионов этот максимум смещается в глубь материала. Отметим, однако, чтомаксимум дефектов находится ближе к поверхности по сравнению с положениеммаксимума имплантированных ионов.
При высоких значенияхплотности дефектов в поверхностных слоях могут образовываться аморфные области,в которых плотность дефектов настолько велика, что нарушается дальний порядок.Дефекты могут вызывать скопления атомов легирующих элементов, и в результатенаблюдается образование фаз внедрения. При ионной обработке сплавов на границедефектной области протекают процессы сегрегации, приводящие к его расслаиванию.При имплантации ионов гелия или аргона в металлические поверхности можетпроисходить блистеринг, приводящий к разрушению поверхностных слоев.
Аморфизацияповерхностного слоя, его легирование позволяют реализовать уникальное сочетаниефизико-механических свойств, в частности высокой твердости и пластичностиодновременно. После ионной имплантации очень значительно возрастаеткоррозионная стойкость стали. Под действием ионной имплантации возможнысущественные изменения в кристаллической решетке материала мишени, в рядеслучаев в поверхностных слоях происходят полиморфные превращения.
При рассмотренииособенностей ионной имплантации выделяют три энергетических диапазона ионов:
— диапазон низкихэнергий, Е » 100…1000 эВ;
— диапазон среднихэнергий, 104
— диапазон высокихэнергий, Е>106 эВ.
Наиболее перспективноприменение ионной имплантации средних энергий. Высокоэнергетическая имплантациятребует применения дорогостоящего оборудования и, как правило, экономическиневыгодна. Низкоэнергетическая имплантация может быть использована приобработке машиностроительных материалов только в сочетании свысокотемпературным отжигом. Отжиг проводится в вакууме с целью интенсификациидиффузионных процессов.
На практике получилираспространение следующие разновидности ионной имплантации.
1) Ионная имплантацияатомами отдачи. В этом случае на поверхность обрабатываемой детали, какправило, методом испарения в вакууме наносится тонкое покрытие из легирующегоэлемента. При обработке покрытия первичными ионами происходит передача атомампокрытия кинетической энергии и внедрение их в поверхностный слойобрабатываемой детали. Одновременно идет частичное распыление покрытия. Данныйметод универсален, т.к. с использованием ионов одного сорта, например, ионовинертного газа и покрытий из различных материалов предоставляется возможностьлегировать поверхностный слой различными элементами. Основной недостатокданного метода – необходимость постоянного восстановления покрытия из-за егораспыления в процессе обработки.
2) Ионная имплантация вусловиях ионного перемешивания. При реализации данного метода обработкаповерхности ионами инертного газа и осаждение ионов легирующего элемента наповерхность детали происходят одновременно.
Разнообразиетехнологических приемов, используемых при ионной имплантации, позволяет вшироких пределах изменять химический состав и структуру слоев. Основнойособенностью ионной имплантации является то, что после её проведенияпрактически не изменяются размеры детали и её можно применять после чистовойпрецизионной обработки.
После ионной имплантациив поверхностном слое образуются напряжения сжатия, которые снижают тенденцию квозникновению и развитию трещин в поверхностных слоях, что также способствуетповышению эксплуатационных свойств обработанных изделий.
При имплантации ионовазота и углерода в поверхностных слоях образуются карбиды и нитриды металлов,значительно повышающие твердость и износостойкость деталей. Одним изэффективных применений ионной имплантации является использование ее дляполучения антифрикционной керамики. Если необработанная керамика имееткоэффициент трения fтр=0,3...0,6, то после ионной имплантации –fтр=0,05...0,1.Для повышения сопротивления усталости рекомендуются следующие режимы ионнойимплантации: доза облучения D=1017ион/см2, энергия ионов Е=100...200 кэВ, температураповерхности 200 0С.
Наибольшеераспространение ионная имплантация получила при обработке режущего инструмента.Ее проведение позволяет повысить износостойкость в десятки раз. В ЗападнойЕвропе 20...25 % выпускаемых пресс-форм подвергаются ионной имплантации.Обработка ионами азота и углерода ножей для резки резины, ленточных пил, винтоввертолетов, ответственных узлов реактивных двигателей позволяет повысить ихдолговечность в 10…80 раз.
Список использованныхисточников
1. Камаров Ф. Ф. Ионная имплантация вметаллы. М.: Наука и техника, 1980. –164 с.
2. Белый А. В., Карпенко Г. Д.,Мышкин Н. К. Структура и методы создания износостойких поверхностных слоев. М.:Наука и техника, 1991. –175 с.
3. Белый А. В., Кукареко В.А.,Лободаева О. В., Таран И. И., Ших С. К. Ионно-лучевая обработка металлов,сплавов и керамических материалов. Мн.: Наука и техника, 1997. –185 с.
4. Научно-технический прогресс вмашиностроении. Современные методы упрочнения поверхностей деталей машин/Подред. Фролова К.В. –М.: Институт машиноведения АН СССР, 1989. – 286 С.
5. Белый А. В., Симонов А. В., Ших С.К. Применение ионного легирования для повышения эксплуатационных характеристикдеталей машин и оборудования. Мн.: БелНИИТИ, 1985. – 44 с.