К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Заввсамоеть макрэтвердеста Н кезреэвевае-стейкей стала ет авэтвэств/тена ааааа В+ ((2 1йгэ ем 7, Х 46 авВ) (ллуахевая линия - исходная макретвердесть) Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ Обычно в сталях после ионной имтшантации микротвердость возрастает от нескольких деоятков процентов до нескольких раз. Причем наблюдается увеличение михротвердости на глубину, болыпую пробега ионов в мишени, что связано с возникновением в легированных слоях растшивающнх и сжимающих напряжений. Для сопротивления изнашивания в большинстве случаев используется имплантация ионов )ч+. Решающее влияние на износ оказывает концентрация атомов азота. Повышение изиосостойкости сталей, содержащих элементы, имеющие сродспю с азотом (Сг, Т1, Ре и др.), происходит за счет образования мелкодисперсньш нитридов металла, т.е.
дисперсионного упрочнения. Для повьлнения износостойкости возможно таске использование иолов В+, С+, Т1+. Увеличение износостойкости стали достигается такхсе следующими методами: модификацией образующегося при изнашивании оконда метюша; распылением поверхностного слои тяжелыми ионами и сглахпшанием поверхности; ионным перемешиванием — имплантацней атомами отдачи. Развитие усталостных трещин происходит в результате дислокационных процессов в металле.
При имплантации ионов о большой массой возникают значительные остаточные механические напряжения, которые аналогичны щюбеструйной обработке, приводящей к поверхностному пластическому деформированию материала. Наблюдается увеличение долговечности образцов, имплантированных ионами Х+ и С+, по сравнению с исходными образцами примерно на порядок (рис. 2.4.10). Повьппение циклической прочности стали в результате имплантации ионов связано с увеличением напряжения зарождения трещин.
Успешно применяется ионная имплантация для увеличения термоэлекгронной эмиссии катодов. Активация Та внедрением последовательно ионов В+ и 1ль с энергией 25 кэВ (ол, гг() 900 сес , тел (0 (0 гО Гб Р(, циял Рве. 2.4.10. Древне вывеелавеств стали ЗОХГСНА всхвшей (1) в восле вмвлавтаввв велев В+ (2), 1Ч+ (3) в С+ (4) с эвергяей 40 юВ в дозой 10зт сы З: Рл Рюргшающее ховтахтлос Давление повышает эмиссию примерно в 10 раз по сравнению с эмиссией исходного Та.
Повышение работы выхода металлопленочных като.дов достишется использованием добавки кислорода к парам цезия. Ионная имплантация применяется и лля подавления радиационной эрозии поверхности стенок ядерного реактора. Разнообразное применение получила ионная имплшпвция для модификации поверхности диэлектриков - керамики, пленок ферритов-гранатов, стекла, полимеров, резины. Имплантация ионов АГ' и Аг+ улучшает свойства ферроэлектрической керамики, увеличивая ее фоточувствительность в 104 раз, а у хрупкой керамики 'ПВз' и А1зОз после имплантации упрочняется поверхность.
Процесоы образования и отязпа радиационных дефектов протекают в керамике сложнее, чем в металлах. Тмрдосгь керамики при их образовании увеличивается, а после отиша снвжвяюя. В 1972 г. впервые ионная имплантация была применена для изготовления заломинаюших устройств на цилицлрическнх магнитных доменах (ЦМД), которые формируются в тонких эпитаксиальных слоях магнитных гранатов состава Кзрез(ы (К - любой редкоземельный элемент), выращенных на немагнитной гранатовой подложке. Ионная имплантация позволяет изменять магнитную анизотропию кристаллов магнитных гранатов.
Степень этих изменений зависит от введенных имплаитацией нарушений в ЦМД-приборах при бомбардировке ионами Н+, Не+, 1че+, Аг+ с энергиями от нескольких десятков до сотен килозлекгронволът и дозами 101з — 10'4 см з. Быстродействие приборов на ЦМД определяет окоросп передвижения доменов, а имллантированный слой создает структуры для продвижешш доменов. Используется ионная литография, ко~да травление облученных слоев идет значительно быстрее, чем бездефектных. Скорость передвижения доменов определяется не только типом ионов и параметрами имплантации, но и распределением дефектов в облученном слое. Изменение структуры пленки ферритаграната под действием ионной бомбардировки влияет на коэффициент оптического преломления пленки, что может быль использовано для создания волноводов в имгшантированных слоях.
Образование радиационных дефектов н дисперсных частиц новых фаз при имплантации позволяет управлять показателем преломления поверхности стекол. Изменение коэффициента преломления вещества л определяется дозой ионов и разбросом пробегов: Ал, = З.10 ю0/ АКР. ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ Благодаря этому имплантац~гя ионов в стенки световодов создает условия дпя удержания авета в аветоводе. Оптические свето воды нз плюшеного кварца а имплантированными ионами В+ отличаются малыми потерями. С ростом массы иона уменьшаются потери, но увеличивается доза излучения, необходимая дюг этого. Кроме того, ионная имплантация позволяет просто и надежно формировать структуры дпя распределения света (атветвители) в линиях оптической связи.
В полимерньи материалах ионное легиро ванне позволяет менять эпектропроводность, которая может возрастать до 14 порядков, структуру и химический состав пленок. Увеличение проводимости связано с перестройкой молекулярной структуры, разрывом связей С-Н и появлением избыточного углерода. Импланшция ионов С+, О+, Х+, А~~ а энергией 15 кэВ увеличивает коэффициент разделения пленок из поликарбонатсилокаана и полиметилпентена для целого ряда смесей в 1,5 - 5 раз.
Рассмотренные примеры использования ионной имплантации авгщетельствуют о ее больших потенциальных возможностях при модификации свойств широкого спектра материалов, используемых в различных областях— металлургии, электронной технике, химическом производстве и биологии. 2.4.3. Оеоррдоеаиие и Режимы Раеоты Оборудование, предназначенное длл ионной имплантации, разрабатывается в основном дпя микроэлектроники, но напользуетая и в других отраслях техники.
В России выпускается ряд установок для ионной имплантации, объединенных общим названием "Везувий". Модификации ионнолучевых установок (ИЛУ), различающиеся техничеакими характеристиками, обозначавпся Везувий-2", "Везувий-5", "Везувий — 9" и т.д. Они характеризуются диапазоном энергии от десятков килоэлектро паолы до нескольких мегазлектронвольт и плотностью ионного тока 101а - 10гз ион/смз. Ограничение энергии ионов несколькими сотнями килсзпекгронвольт обьяаижтся тем, что стоимость и сложность аппаратуры возрастюот с ростом энергии.
Методы генерирования и анализа ионов таске уакакняхгюя. Современные ИЛУ состоят из ионного источника, экстрагирующей и фокуаирующей оптики, уакоряю щей системы, мааасепаратора, устройства сканирования ионного пучка, системы источников питания, приемной камеры, вакуумной системы, устройства контроля и управпеюи технолопгческим процессом (рис. 2.4.11).
Ионный источник состоит из собственно источника ионов и устройства их зкстрацни. Рае. 2.4.11. Схема уетаеевав лая веевай виввавтаевю 1 - исгачэвк ионов; 2- маас-сепаратор; 3- аввама 4хиусвразкв; 4- оютема ускорения панов; 5- система ахзнвраваииа; 6- приемная камера; 7- вакуумные нассаы Атомы имппантируемой примеси могут вводиться в ионный источник либо напуском (в виде газа), либо испарением (жидкой или твердой примеси).
В ионном источнике они ионизируются и вьпягиваются соответствующим потенциалом в ускоритель, где приобретают нужную энергию. К источнику ионов предъявлшот следующие требоваши: стабильносп пучка во времени; получение ионов с определенным зарядом, нузкной плотности тока при низких экстрагируюших напряжениях; простота замены легируюших элементов; простота управления и замены самого источника С помощью одного источника невозможно удовлетворить все эти требования, поэтому используется набор источников с разными ионами. Имеется несколько типов источников ионов: с горячим, холодным и полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением; с поверхностной нонизацией.
Ионный источник должен обеспечить возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышаюШей потенциал ионизации атома, дпя образования положительно заряженных ионов. Большинство источников включает следующие конструктивные элементы (рис.
2.4.12): разрядную ипи ионизационную камеру, которая обычно является несущей конструкцией источника; анод, предназначенный для аоздания электрического поля внутри разрядной камеры; источник электронов (термокатод), инжекгирующий электроны дпя ионизации газа; магнитную алагему, повышаюшую эффективность ионизации и плотность плазмы; электроды, экстр агирующие ионы, и элекгроды первичной фокусировки пучка. Работу лоточника ионов обеспечивают вспомогательные устройства; система подачи газа; устройство испарения вещества; источники питания. Наиболее простые и распространенные источники с горячим катодом наполняются в различных конструктивных вариантах, два из которых показаны на рис.
2.4.12. Источником зпекгронов яюиетгя катод прямого или косвенного накала, электроны эмиттируются перпендикулярно поверхности нити накала а плотностью тока порядка 1 А/смз. Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ Рве. 2.4.12. Еовсзруапаа аеааык встечаакеа разного таам а — с горячим хатодом прямого (1) н косюнного накала (Щ 6- с холодным катодом (1П) н дуоплазмотрон (ХУ); е - с пынрзноатной ноннзадаой (У), нногоеерздйнх ионов (УВ, с ВЧ-воэбулденаем ()7В; 1- газ; 2- хагод; 3- анод; 4- экстрнстор; 3- косвенный катод; 6- злектромапыт; 7- плазма; 8- хатодный днявадр; 9- промежуточный двлвндр; 16 - нспарягсль; 11 - нагреватель нонюатора; 22 - ноннззтор; 13- фыгусаруюшай электрод; 14- респьомемый электрод; 13- апгвкатод; 16- ВЧ-катушка ()Знз Х Х "Х' 'ХеХ Л.
Рве. 2.4.13. Кевсзруахва нвпассадвеааой усючытняной трубка (е) н расаределевве аетеадвзла с нееныаанн Пыдвсатон а узко(штевней зыбке (6): 1 - электрод; 2- нэсзнруюшне хозьпа; 3- деюпезь пепрзненяа Ускоритель ионов в зависимости от конструкции ИЛУ располагаеюя до илн после (рис. 2.4.13) масс-сепаратора. Ускоритель предназначен дпя следующих целей: сообщения ионам необходимой плотности энергии с минимальной потребляемой мощностью; фокусировки пучка при его движении вдоль ускорителя; обеспечения минимальных рассеяния н загрязнений, а также защиты от ренчте- ковского излучения и высокого напряжения. Он имеет вид трубки с секционным расположением в ней электродов, разделенных изолирующими кольцами и обеспечивающих на выходе нужный потенциал.
Масс-сепаратор применяется для очистки пучка ионов от нежелательных примесей, которые могут присутствовать при формировании пучка в источнике ионов. Принцип его ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ 135 работы основан на разном отклонении ионов с раытыми массами и зарядами в магнитном поле требуемой напряхсенности. Радиус отклонения иона Г с массой Мт и зарядом д связан с магнитной индукцней В и ускоряющим напряжением (1 соотношением В ИЛУ обычно встраивается анализатор маса, по показаниям которото настраивается сепаратор на выделение нужных ионов (рис.
2.4.14). Устройства сканирования ионного пучка иацраювтвтт сфокусированный ионный луч в нужное место мишени по заданной программе, В установках ионного легирования применявцая три способа сканирования: механическое, электростатическое и комбинированное. При механическом сканировании ионный луч неподвижен, мишень перемещается относительно него в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При элехгростатнчеаком сканировании перемещается луч по поверхности неподвижной мишени.
При комбинированном способе в одном направлении перемещается луч, а в перпендикулярном к нему — мишень. При электростатическом сканировании утал оплонення луча 6 определяется с помощью потенциала (1эа отклоняющих электродов длиной 1, расстоянием между ними т( и потенциалом ионного пучка (тв: а' эа (86 = — —. а'в Отклонение луча на поверхности мишени Ау = ТГ86, где Х - раастоянне от отклоняющей системы до мишени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
