Таким образом, из выше рассмотренных групп методов в силу неоспоримых преимуществ можно выделить методы поверхностного модифицирования за счет внедрения ионов в материал подложки без формирования покрытий – ионную имплантацию газов в поверхности металлов и сплавов.

2. Физические основы процесса ионной имплантации газов в металлы и сплавы

2.1 Основные характеристики метода ионной имплантации

Основными параметрами ионной имплантации являются:

• энергия имплантируемых ионов, Дж;

• доза облучения, м^-2;

• время облучения, с.

Физические процессы при имплантации ионов газов с энергией в диапазоне 1 – 10 кэВ ( Дж) недостаточно изучены [3]. Недостатками имплантации при более низких энергиях является то, что для существенного повышения эксплуатационных характеристик изделий требуется длительное время обработки (как правило, не менее 1 ч) [36, 40, 42]. Ионная имплантация при энергиях ионов выше 100 кэВ ( Дж) требует сложного и дорогостоящего оборудования [25].

Таким образом, осуществление ионной имплантации в диапазоне 1 – 10 кэВ ( Дж) позволяет, с одной стороны, уменьшить время обработки по сравнению с низкоэнергетической имплантацией, с другой стороны, значительно упростить оборудование по сравнению с высокоэнергетической имплантацией.

Технологические возможности ионной имплантации определяются верхним пределом концентрации имплантированных атомов и толщиной слоя, характеризующегося новыми свойствами. В процессе имплантации при торможении бомбардирующего иона в поверхностном слое материала создаются каскады смещенных атомов, при этом поверхностные атомы, получившие энергию, достаточную для преодоления сил поверхностной связи, выбиваются наружу и происходит распыление облучаемого материала. Вместе с атомами обрабатываемого материала происходит выбивание и атомов имплантируемой примеси. Вследствие этого процесс распыления накладывает ограничение на количество имплантируемых в материал атомов, что ведет к насыщению общей концентрации имплантированной примеси. В разделе 2.4 приведена расчётная зависимость для определения максимальной концентрации вводимой примеси.

Как показывают оценки и эксперименты, обусловленный распылением поверхности в процессе имплантации верхний предел имплантированной примеси ограничен 20...50 атомными %, что является вполне достаточным для получения сплавов и управления свойствами поверхности. Реально это соответствует диапазону доз 10²¹... 10²² м^-2 [21]. На практике доза облучения, как правило, колеблется от 10¹⁹ до 10²² м^-2 [8, 21, 25]. При дозах меньше 10¹⁹ м^-2 повышение эксплуатационных характеристик изделий незначительно [25]. При увеличении дозы имплантации выше 10²² м^-2 улучшение эксплуатационных характеристик изделий существенно замедляется, и начинают проявляться различные нежелательные эффекты, например, радиационное распухание [20, 41], которые приводят к разрушению поверхностного слоя обрабатываемого материала.

Наиболее просто процесс ионной имплантации газов в металлы и сплавы может быть реализован с использованием схемы, приведенной на рисунке 2.1.

В результате термоэлектронной эмиссии вольфрамовой проволоки 1 создаётся поток электронов, который проходит через промежуточный анод 2 и фокусируется при прохождении анодной вставки 3. Магнитное поле, создаваемое соленоидом 4, также обеспечивает фокусировку потока электронов. Сталкиваясь с атомами поступающего в камеру 5 газа (азота), электроны ионизируют его.

Рисунок 2.1 – Схема ионной имплантации газов в поверхностные слои металлов и сплавов в вакуумной камере. 1 – катод; 2 – промежуточный анод; 3 – анодная вставка; 4 – соленоид; 5 – камера, в которую подаётся газ; 6 – анод; 7 – экстрактор; 8 – фокусирующий электрод; 9 – подложка (легируемый материал); 10 – ионный пучок.

Ионы газа вытягиваются и ускоряются под действием приложенного между экстрактором 7 и анодом 6 высокого напряжения (10 – 50 кВ). Ионный поток 10 фокусируется, проходя через фокусирующий электрод 8, и попадает на поверхность образца 9.

При прохождении через отверстие в экстракторе ионы обладают энергией, достаточной для внедрения в поверхностные слои образца.

2.2 Механизмы взаимодействия имплантируемых ионов с мишенью

Из литературных источников [8, 21, 26, 36, 37, 48, 49], известно, что механические свойства обрабатываемой поверхности после имплантации ионов зависят, прежде всего, от концентрации внедренных ионов и образующихся в процессе имплантации радиационных дефектов. Для расчета пробегов и концентраций ионов при имплантации применяется теория Линхардта-Шарфа-Шиотта (ЛШШ), изложенная в работах [21, 22, 46 – 48]. Существенное влияние на распределение примеси по глубине поверхностного слоя изделия оказывает радиационно-стимулированная диффузия. На диффузионные процессы существенное влияние оказывает температура нагрева поверхностного слоя образца. Однако в случае ионов газов с энергией в диапазоне 1 – 10 кэВ ( Дж) нагрев будет незначительным для расчета окончательного распределения примеси можно пренебречь изменением температуры в зоне воздействия, а значит и её влиянием на диффузионные процессы. На концентрацию примеси (а значит и на остаточные концентрационные напряжения) влияет распыление поверхности образца при имплантации. Но для ионов газов низких энергий этот процесс можно не учитывать [3].

В настоящее время не существует теории, достаточно полно объясняющей модификацию поверхностных свойств материалов при ионной имплантации. При взаимодействии бомбардирующих ионов с твердым телом происходит ряд процессов, обуславливающих модификацию свойств материалов. Такими процессами являются внедрение ионов, которое сопровождается образованием радиационных дефектов и их последующая диффузия. Физические модели и методики расчетов характеристик указанных процессов приведены в работах [2, 3, 8, 13, 15, 21, 22, 28, 36, 48, 49]. Однако, в настоящее время не существует модели модификации поверхностного слоя реального материала, которая достаточно полно учитывала бы все вышеназванные механизмы, происходящие при ионной имплантации [3].

Рисунок 2.2 – Схема процессов, происходящих при ионной имплантации

За основу при описании модификации поверхностного слоя реального материала возьмем схему процессов, происходящих при ионной имплантации, приведенную на рисунке 2.2. Она наиболее полно учитывает процессы взаимодействия ионов с веществом (рисунок 2.2): внедрение ионов, которое сопровождается образованием радиационных дефектов, дефектообразованием, нагревом поверхности материала и их последующая диффузия. На схеме отражены входные и выходные характеристики данных процессов: полная доза имплантации Ф, распределение примеси по глубине C_i(z), температурное поле Q(z,t), распределение элементарных радиационных дефектов C_v(z), распределение примеси C_i(z,t) и дефектов C_v(z,t), обусловленное радиационно-стимулированной диффузией и поле остаточных концентрационных напряжений (z).

В разрабатываемой модели не отражен эффект дальнодействия (формирование развитой дислокационной структуры на глубинах, значительно превышающих глубину проникновения примеси при имплантации), обнаруженный рядом автором [2, 21, 44]. Несомненно, что этот эффект оказывает существенное влияние на свойства обработанного материала. Существующие гипотезы [21, 45, 53, 55] не позволяют количественно оценить этот эффект. Исследователи предполагают, что плотность образующейся в результате эффекта дальнодействия дислокационной структуры определяется как характеристиками ионного потока, так и элементным составом материала подложки [3].

Важной задачей является оценка свойств обработанного материала в зависимости от первоначальной концентрации примеси и образованных в процессе имплантации радиационных дефектов. Как показано в [3, 15, 49, 52, 54] остаточные концентрационные напряжения определяют свойства материала после имплантации.

Анализ существующей литературы показал, что для прогнозирования структуры и свойств поверхностного слоя образцов после имплантации при известных параметрах ионного потока (управляемых за счет изменения тока на катоде, ускоряющего напряжения между анодом и экстрактором (рисунок 2.1), давления газа в камере и др.), необходимо знание параметров:

1. дозы имплантации;

2. пробегов ионов при известном ускоряющем напряжении;

3. распределения примеси в материале после имплантации;

4. полей остаточных концентрационных напряжений.

Для их нахождения необходимо решить задачи выбора и усовершенствования методик расчета соответствующих параметров. В связи с этим целью дипломной работы является разработка комплекса моделей, позволяющих на основе данных о технологических параметрах имплантации составить прогноз о свойствах материала подложки после имплантации:

1. Модель для расчета пробегов ионов азота в металлах и сплавах под действием энергии имплантации;

2. Модель распределения ионов азота в поверхностном слое материала подложки после имплантации;

3. Модель распределения дефектов в поверхностном слое материала подложки после имплантации;

4. Модель расчета остаточных концентрационных напряжений в поверхностном слое материала подложки после имплантации.

2.3. Модель для расчета пробегов ионов в материале подложки

Для металлов и сплавов распределение пробегов по глубине оказывается приблизительно гауссовым [3]. Имеются трудности при теоретическом описании в случае больших интегральных доз облучения, когда на форму профиля примеси по глубине существенно сказывается распыление поверхности мишени, а также рассеяние ионов на атомах внедренной примеси [3].

Наиболее точные результаты расчета энергетических потерь получаются при использовании теории ЛШШ, в основе которой лежит утверждение о том, что основными механизмами торможения частиц в обрабатываемом веществе являются неупругие соударения с электронами (электронное торможение) и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение).

В работе Линдхарда и др. [46, 47, 50, 51] получены уравнения, описывающие связь между энергией и пробегами ионов в аморфных мишенях. Многочисленные эксперименты демонстрируют достаточно хорошее согласие с теорией ЛШШ [1, 8, 11, 12, 22, 23, 56, 57].

Модель ЛШШ основана на следующих предположениях:

1. мишень считается аморфной, т. е. из рассмотрения исключаются случаи коррелированных последовательных столкновений;

2. в работе используется потенциал, рассчитанный на основе статистической модели атома Томаса—Ферми, с учётом только электростатического взаимодействия между электронами;

3. энергия, передаваемая атомам мишени в процессе столкновений, много меньше кинетической энергии иона;

4. основными механизмами торможения частиц в обрабатываемом веществе являются неупругие соударения с электронами (электронное торможение) и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение). Оба механизма считаются независимыми в процессах торможения;

5. учитываются флуктуации энергии, обусловленные в процессе торможения только взаимодействием с ядрами;

6. при описании взаимодействия иона с атомами подложки используется классическое приближение бинарных столкновений.

Каждое из этих предположений ограничивает область применимости теории. В частности, предположение 1 исключает случай кристаллических и очень тонких аморфных мишеней. В этой модели не учитывается также оболочечное строение атомов. При близких атомных массах и порядковых номерах сталкивающихся атомов неупругие и упругие процессы становятся коррелированными, поскольку таким столкновениям соответствует значительная ионизация в обеих атомных подсистемах. Ионизация, в свою очередь, изменяет форму потенциала взаимодействия, а, следовательно, и угол рассеяния частиц. Такого рода корреляции могут существенно влиять на форму распределений ионов по пробегам (моменты кривой распределения высоких порядков).

Используемая в теории ЛШШ статистическая модель атома Томаса-Ферми, позволяет достигнуть наилучшего совпадения результатов расчетов с экспериментальными данными.