Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Изделия 8 располагались на подвижной подложке, ВЧнапряжение на подложку подавалось через согласующее устройство 5, 6от ВЧ генератора 7. Была разработана новая технологическая схема получения покрытий из потоков металлической плазмы в условиях ионной имплантации с использованием импульсного ВЧ генератора. Затухающие ВЧколебания в течение одного импульса создают условия для ионной бом100бардировки (имплантации) обрабатываемой поверхности энергетическимиионами в начале импульса, а затем и осаждения их на поверхность при соответствующей в течение импульса величине спадающего напряжения.Таким образом, в течение одного импульса автоматически появляются условия для нанесения покрытий, независимо от рабочих характеристик установки (парциального давления рабочего газа, режима работы источникаплазмы и т.п.). Для расширения гибкости технологической системы былсоздан простейший генератор, позволяющий получать в импульсе до100 кВт ВЧ мощности при среднем значении ВЧ мощности не более10 кВт, в основу которого была положена схема генератора с ударнымконтуром [42].Рис.
6.11. Схема технологической системы синтеза покрытий на базевакуумно-дугового разряда: 1 – вакуумная камера; 2 – испаряемый материал:3 – плазменный поток; 4 – источник питания дугового испарителя;5 – коаксиальный кабель; 6 - конденсатор переменной емкости;7 – ВЧ генератор; 8 – изделия [41]Для нанесения многослойных наноструктурированных покрытийбыл разработан генератор импульсного напряжения с регулируемой амплитудой импульсов, их длительностью и частотой следования, а также электронная система управления, обеспечивающая осаждение многослойныхпокрытий с регулируемыми периодами слоев.
Схема модернизированнойустановки приведена на рис. 6.12.Ионно-лучевое распыление фактически представляет собой значительно усовершенствованный вариант методов катодного и магнетронного распыления. Главное отличие метода в том, что ионы инертного газаподаются к распыляемому материалу (мишени) из отдельно расположенного независимого ионного источника в виде концентрированного потокас энергией 1 – 10 кэВ [43 – 45] (рис. 6.13).101Рис.
6.12. Схема установки для нанесения многослойных двухфазныхнаноструктурных покрытий TiN-СrN. 1 – вакуумная камера; 2 – системаавтоматического поддержания давления азота; 3 – испаритель хрома;4 – испаритель титана; 5 – подложкодержатель; 6 – подложка;7 – источник постоянного напряжения; 8 – генератор импульсов;9 – программирующее устройство [40]Рис. 6.13.
Схема ионно-лучевого распыления:1 – вакуумная камера; 2 – держатель подложки; 3 – подложка; 4 – поток ионов;5 – распыляемый материал; 6 – держатель мишени; 7– ионно-лучевой источник;8 – магнитная система концентрации плазмы тлеющего разряда; 9 – устройствофокусировки ионного луча; 10 – зона концентрации плазмы тлеющего разряда;11 – поток частиц, осаждающихся на подложку102Процесс ведут в вакууме 10–3…10–2 Па. Поскольку образование ионного луча не связано с распыляемым материалом, то возможна реализацияраспыления как металлических, так и диэлектрических материалов (прииспользовании устройства, компенсирующего накопление положительного потенциала на поверхности мишени). Распыляемый ионами материалмишени может также ионизироваться и дополнительно ускоряться приприложении к подложке дополнительного потенциала смещения.
Концентрация плазмы разряда внутри источника ионов позволяет избежать сильного разогрева материала подложки. Недостатком метода ионно-лучевогораспыления является сложность точного соблюдения химического составаосаждаемого покрытия. Это связано с тем, что при столкновении ионов споверхностью мишени, в ней протекает целый комплекс сложных процессов (в т.ч. преимущественное распыление, перемешивание, радиационностимулированные диффузия и сегрегация, адсорбция Гиббса), которыемогут изменять химический состав верхнего слоя мишени и напыляемогоматериала.
Метод ионно-лучевого распыления нашел применение, в частности, для получения многослойных слоистых структур для наноэлектроники с толщиной слоев 1 – 10 нм.Ионная имплантация. Метод основан на внедрении ионов высокихэнергий в поверхность материала [46]. Процесс проводят в вакуумепорядка 10–4 – 10–3 Па с помощью ионно-лучевых ускорителей (имплантеров). Эти установки (рис. 6.14) включают один или несколько ионных источников, в которых происходит перевод материала в ионизированное состояние плазмы.Имплантируемые ионы могут создаваться электродуговым методом,методами термического испарения (в том числе лазерного испарения), совмещенными с тлеющим разрядом и т.п. Образовавшиеся ионы поступаютв систему анализа и сепарации, где от основного пучка отделяются ионынежелательных примесей.
После сепарации пучок ионов с помощью фокусирующих линз концентрируется в луч, который попадает в ускоритель,где ионы разгоняются до высоких энергий в электрическом поле. Длядальнейшей стабилизации ионного луча и осуществления его сканирования служит система электрических линз и отклоняющих пластин. Основными параметрами технологического процесса ионного внедрения, являются энергия ускоренных ионов E0 и доза облучения D.Попадая на модифицируемый материал, ионы внедряются в него наглубину 5 – 500 нм в зависимости от их энергии. Условно выделяют низкоэнергетическую ионную имплантацию с энергией ионов 2 – 10 кэВ ивысокоэнергетическую имплантацию с энергией ионов 10 – 400 кэВ.
В зависимости от конструкции имплантера диаметр пятна ионного луча на поверхности обрабатываемого материала может составлять от 10 до 200 мм,а значение среднего ионного тока – 1 – 20 мА. Величина дозы ионного облучения обычно составляет 1014 – 1018 см–2. При взаимодействии бомбар103дирующих ионов с поверхностными слоями модифицируемого материалапротекает целый комплекс сложных физических процессов.
Кроме собственно имплантации (проникновения) ионов в поверхность материала, протекают также такие процессы, как: распыление поверхности, развитиекаскадов столкновений, каскадное (баллистическое) перемешивание атомов материала в поверхностном слое, радиационно-стимули-рованнаядиффузия,образованиеметастабильныхфаз,радиационностимулированная сегрегация (перераспределение атомов материала в поверхностном слое), преимущественное распыление, адсорбция Гиббса(изменение состава поверхности за счет уменьшения свободной энергии),разогрев и др. Соотношение между этими процессами зависит от типа имплантируемых ионов, модифицируемого материала и технологическогорежима обработки.5116Рис. 6.14. Установка ионной имплантации:1 – ионный источник; 2 – блок питания ионного источника; 3 – система подачигаза в объем источника; 4 – система дифференциальной вакуумной откачки;5 – магнитный анализатор-сепаратор ионного пучка; 6 – апертура, формирующаяионный пучок; 7 – ускорительные секции и блок высоковольтных источников;8 – электромагнитные линзы; 9 – устройства фильтрации и отклонения пучка;10 – камера для поглощения атомных и частиц и примесных ионов;11 – устройство сканирования (пластины, отклоняющие пучок покоординатам X и Y); 12 – цилиндр Фарадея для измерений параметров пучка;13 – приемная камера мишеней; 14 – держатель мишеней с нагревателем;15 – устройство нагрева и контроля температуры мишеней;16 – шлюзовое вакуумное устройство с кассетным механизмом перезагрузкиприемной камеры; 17 – устройство контроля параметров ионного пучка [46]Основными достоинствами ионной имплантации как метода создания модифицированных поверхностных нанослоев являются [46]: возможность получать практически любые сочетания материалов в поверх104ностном нанослое, независимость от пределов растворимости компонентов в твердой фазе (т.е.
возможно получать такие сплавы, которые невозможны в обычных условиях из-за термодинамических ограничений), низкие температуры модифицируемого материала и отсутствие заметных изменений размеров, структуры и свойств основного материала. Отсутствиеявной границы раздела и проблемы адгезии, контролируемость глубиныобработки, хорошая воспроизводимость и стабильность процесса, высокаячистота процесса в вакууме, возможность за счет высокоточного сканирования ионного луча по обрабатываемой поверхности создавать сложныеповерхностные наноструктуры, возможность одновременной или последовательной имплантации ионов различных материалов.К недостаткам метода относятся: возможность обработки поверхностей материалов только в зоне прямого действия ионного луча, малая глубина проникновения ионов в материал (особенно при низких энергиях),протекание процессов распыления поверхности, высокая стоимость исложность оборудования и обработки, сложность, недостаточная изученность и трудность контролирования всего комплекса процессов, протекающих при ионной имплантации.Лазерные методы.
Наноструктурное состояние при данных методахдостигается в тонких поверхностных слоях металлических материаловили изделий, полученных традиционными технологиями, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности [47, 48].Используется импульсное лазерное излучение с плотностью энергии 103 –1010 Вт/см2 и временем импульса 10–2 – 10–9 с. В ряде случаев применяетсяи непрерывное излучение СО2 лазеров с плотностью энергии 105 – 107Вт/см2 со скоростями сканирования луча, обеспечивающими время взаимодействия материала с излучением 10–3 – 10–8 с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
