Распределение ионов по толщине слоя.

Процесс ионной имплантации и состояние модифицированных слоев характеризуются следующими основными параметрами:

1. Распределение внедренных атомов по толщине. Оно зависит от энергии ионов, природы материала подложки, температуры поверхности. Для регулирования профиля распределения плотности легирующих атомов, как уже отмечалось, используется дополнительная термообработка.

2. Максимальная допустимая доза легирования – количество ионов, внедренных на единице поверхности обрабатываемой детали. Как правило, эта доза находится в пределах D = 10¹⁶…10¹⁸ ион/см².

3. Параметры, характеризующие взаимодействие ионов с атомами поверхностного слоя (скорость образования дефектов, характер и структура образующихся химических соединений и т. д.).

4. Параметры, определяющие изменения структуры и свойств легированных слоев в зависимости от дозы облучения, плотности радиационных дефектов и т.д.

Основной характеристикой степени обработки при ионной имплантации является распределение имплантированных ионов по толщине поверхностного слоя. При взаимодействии иона с поверхностью в процессе многократных столкновений с атомами мишени происходит передача кинетической энергии, и в итоге ион, внедрившийся на некоторое расстояние от поверхности, теряет эту энергию полностью. Для характеристики этого процесса используют следующие параметры: пробег иона R – это путь, который проходит ион до полной потери кинетической энергии (на основании экспериментальных данных этот параметр определить сложно); проекцию пробега иона R_x – расстояние, на которое внедрился ион от поверхности (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 – Схема взаимодействия иона с атомами мишени

 

Проекция пробега иона R_x экспериментально определяются достаточно просто, используя, например, методы масс-спектроскопии. Для характеристики взаимодействия большого числа ионов с поверхностью используют функцию распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя dN/dx (dN – число имплантированных атомов, находящихся на расстоянии x от поверхности в слое толщиной dx) (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 – Характерные функции распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя: 1-при энергии ионов Е₁; 2 –при энергии ионов Е₂

(Е₂ >Е₁)

 

В общем случае функция dN/dx зависит от соотношения масс атомов поверхности и ионов, энергии иона, структуры поверхностного слоя (типа кристаллической решетки).

 

Оборудование.

Оборудование,включает следующие основные блоки: источник ионов; системы ускорения, фокусировки и сепарации ионов; системы крепления и вращения детали (рисунок 9.4).

 

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 камере создается достаточно низкое давление (Р= 10^-5…10^-4 Па), и с помощью источника ионов, фокусирующей и ускоряющих линз, системы сепарации формируется направленный поток высокоэнергетичных ионов. Обрабатываемая мишень предварительно нагревается и помещается в зоне действия ионного потока.

 

14. Разновидности ионной имплантации. Свойства имплантированных слоев.

Поверхностные слои, обработанные методом ионной имплантации, характеризуются, прежде всего, высокой дефектностью. При взаимодействии ионов с атомами мишени происходит смещение последних, и образуются межузельные атомы и вакансии. Если мощность ионного потока и энергия высоки, то наблюдается возникновение вакансионных кластеров, т. е. скоплений дефектов. При этом профиль распределения дефектов по толщине схож с профилем распределения по толщине имплантированных атомов, т.е. максимум дефектов образуется на некотором расстоянии от поверхности и при увеличении энергии ионов этот максимум смещается в глубь материала. Отметим, однако, что максимум дефектов находится ближе к поверхности по сравнению с положением максимума имплантированных ионов.

При высоких значениях плотности 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 результате наблюдается образование фаз внедрения. При ионной обработке сплавов на границе дефектной области протекают процессы сегрегации, приводящие к его расслаиванию. При имплантации ионов гелия или аргона в металлические поверхности может происходить блистеринг, приводящий к разрушению поверхностных слоев.

Аморфизация поверхностного слоя, его легирование позволяют реализовать уникальное сочетание физико-механических свойств, в частности высокой твердости и пластичности одновременно. После ионной имплантации очень значительно возрастает коррозионная стойкость стали. Под действием ионной имплантации возможны существенные изменения в кристаллической решетке материала мишени, в ряде случаев в поверхностных слоях происходят полиморфные превращения.

При рассмотрении особенностей ионной имплантации выделяют три энергетических диапазона ионов:

1) диапазон низких энергий, Е  100…1000 эВ;

2) диапазон средних энергий, 10⁴ Е10⁶ эВ;

3) диапазон высоких энергий, Е10⁶ эВ.

Наиболее перспективно применение ионной имплантации средних энергий. Высокоэнергетическая имплантация требует применения дорогостоящего оборудования и, как правило, экономически невыгодна. Низкоэнергетическая имплантация может быть использована при обработке машиностроительных материалов только в сочетании с высокотемпературным отжигом. Отжиг проводится в вакууме с целью интенсификации диффузионных процессов.

На практике получили распространение следующие разновидности ионной имплантации.

1. Ионная имплантация атомами отдачи. В этом случае на поверхность обрабатываемой детали, как правило, методом испарения в вакууме наносится тонкое покрытие из легирующего элемента. При обработке покрытия первичными ионами происходит передача атомам покрытия кинетической энергии и внедрение их в поверхностный слой обрабатываемой детали. Одновременно идет частичное распыление покрытия. Данный метод универсален, т.к. с использованием ионов одного сорта, например, ионов инертного газа и покрытий из различных материалов предоставляется возможность легировать поверхностный слой различными элементами. Основной недостаток данного метода – необходимость постоянного восстановления покрытия из-за его распыления в процессе обработки.

2. Ионная имплантация в условиях ионного перемешивания. При реализации данного метода обработка поверхности ионами инертного газа и осаждение ионов легирующего элемента на поверхность детали происходят одновременно.

Разнообразие технологических приемов, используемых при ионной имплантации, позволяет в широких пределах изменять химический состав и структуру слоев. Основной особенностью ионной имплантации является то, что после её проведения практически не изменяются размеры детали и её можно применять после чистовой прецизионной обработки.

После ионной имплантации в поверхностном слое образуются напряжения сжатия, которые снижают тенденцию к возникновению и развитию трещин в поверхностных слоях, что также способствует повышению эксплуатационных свойств обработанных изделий.