ЭИПТ-1 (1072581), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При этом удается получить выход атомов отдачи до10 на один внедренный ион.Ионная имплантация в металлы и диэлектрики позволяет в широких пределахизменять их свойства. Удается, например, сплавлять металлы, не смешиваемые в жидкомсостоянии: так, молибден в алюминии практически не растворим, а в результате ионнойимплантации в поверхностном слое алюминия образуется сплав, содержащий 25%молибдена. При этом повышается стойкость алюминия к питтинговой коррозии. Спомощью ионной имплантации получены пересыщенные твердые растворы,метастабильные интерметаллические соединения, равновесные сплавы и аморфные фазы.Дозы ионов при имплантации в металлы на 1 – 3 порядка превышают дозы прилегировании полупроводниковых материалов и составляют 1016 – 1019 ион/см2.Модификация поверхностных слоев многокомпонентных материалов, таких как стали исплавы, может быть обусловлена не только имплантацией ионов примеси, но иперераспределением компонентов сплава.
Ионной имплантацией можно упрочнятьметаллы путем изменения структуры поверхности в процессе бомбардировки. Приупрочнении металлов (деталей машин, инструмента и т.д.) в их поверхность могут бытьимплантированы ионы, играющие роль твердой смазки.Ei, кэВEi, кэВ16016014011401201207100100802804605609340408D, см-26201011 1012 1013 1014 1015 1016а)D, см-22010111012 1013 1014 1015 1016б)Рис.31 Основные режимы ионной имплантации: энергия пучка Ei и доза легирования DИонная имплантация в металлы применяется для изменения их поверхностныхсвойств: увеличения твердости, износостойкости, коррозионной и радиационнойстойкости, увеличения сопротивления усталостному разрушению, уменьшениякоэффициента трения, управления химическими, оптическими и другими свойствами.Ионная имплантация позволяет упрочнять поверхностные слои металлов и сплавов путемперевода их в аморфное состояние.
Аморфизация поверхности различных металлов (Al,Co, Ni, Fe и др.) достигается при имплантации в них ионов металлоидов (B+, P+, As+) илипри бомбардировке ионами W+, Ta+, Au+ сталей, в том числе коррозионно-стойких. Длясопротивления изнашиванию наиболее часто используется имплантация ионов N+, B+, C+,Ti+, после чего долговечность деталей или инструмента увеличивается в 2 – 10 раз(Рис.32).900 pк, МПа8003470026001N, циклы500104105106107Рис.32 Влияние ионной имплантации на износостойкость материаловВполимерныхматериалахионноелегированиепозволяетменятьэлектропроводность, которая может возрастать до 14 порядков, структуру и химическийсостав.
Увеличение проводимости связано с перестройкой молекулярной структуры,разрывом связей C-H и появлением избыточного углерода. Имплантируются ионы C+, O+,N+, Ar+ с энергией приблизительно 15 кэВ.Оборудование ионной имплантации (Рис.33) включает в себя: ионный источник,экстрагирующую и фокусирующую ионную оптику, ускоряющую систему, масссепаратор, устройство сканирования ионного пучка, источники питания, приемнуюкамеру, вакуумную систему, устройства контроля и управления технологическимпроцессом. Оно характеризуется диапазоном энергии ионов от десятков кэВ донескольких МэВ и плотностью ионного тока от 1010 до 1019 ион/см2.231747567Рис.33 Структурная схема установки ионной имплантации: 1 – источник ионов;2 – масс-сепаратор; 3 – система ускорения; 4 – система сканирования;5 – камера дрейфа ионов; 6 – приемная камера; 7 – вакуумная системаАтомы имплантированной примеси вводятся в ионный источник либо напуском ввиде газа, либо испарением жидкости или твердого вещества.
В ионном источнике ониионизируются и вытягиваются электрическим потенциалом в ускоритель, гдеприобретают нужную энергию. Существует несколько типов источников ионов: сгорячим, холодным и полым катодом; дуоплазмотроны; источники с ВЧ и СВЧвозбуждением; с поверхностной ионизацией. Для получения многозарядных (двух илитрехзарядных) ионов используются дуговой источник с катодом косвенного накала.Ускоритель ионов предназначен для сообщения ионам необходимой плотностиэнергии и фокусировки пучка при его движении вдоль ускорителя. Он можетрасполагаться до или после масс-сепаратора. Масс-сепаратор применяется для отделенияимплантируемых ионов от других веществ, присутствующих при формировании пучка висточнике ионов, т.е.
для создания моноизотопного пучка ионов. Принцип его действияоснован на различии радиуса R отклонения ускоренных электрическим потенциалом Uионов с разной массой m и зарядом zq в магнитном поле BR1 2mU.BzqУстройство сканирования ионного пучка направляет сфокусированный ионный лучв нужное место мишени по заданной программе. В оборудовании ионной имплантацииприменяются три способа сканирования: механическое, электростатическое икомбинированное.
При механическом сканировании ионный луч не перемещается вперпендикулярных его движению направлениях, а перемещается мишень относительнолуча в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При электростатическомсканировании ускоренный потенциалом U ионный луч отклоняется от направления своегодвижения потенциалом Ur отклоняющих электродов длиной l и расстоянием между нимиd на угол U l.tg rU 2dОтклонение ионного луча на поверхности мишени равно y= L tg, где L –расстояние от отклоняющей системы до мишени. Система сканирования должнаобеспечивать однородность легирования поверхности, поэтому необходимо учитыватьнаклон мишени к направлению движения ионного пучка, неравномерность скоростисканирования луча при различных углах , диаметр или стороны сечения ионного пучка,неравномерность плотности ионного тока по сечению пучка.Приемная камера служит для загрузки, фиксации, перемещения во времялегирования и выгрузки обрабатываемых изделий.
Вакуумные системы оборудованияионной имплантации строятся как на масляных (с использованием диффузионныхнасосов), так и на безмасляных вакуумных насосах (турбомолекулярных или криогенных).Измерения и контроль в вакуумеИзмерения и контроль в вакууме обладают уникальными возможностямиисключить влияние окружающей среды и человека на точность и достоверностьрезультатов, а также уменьшить погрешность измерений до физических констант –размеров атомов и молекул. С помощью электронных, ионных, оптических,рентгеновских пучков и газоразрядной плазмы можно измерять геометрические размеры,определять физические и химические свойства обрабатываемых материалов, а такжеконтролировать параметры технологических процессов.
Даже самые лучшие оптическиемикроскопы не позволяют наблюдать объекты меньше, чем 0,3 мкм. В электронных жемикроскопах достигается разрешение 1 нм, а в некоторых типах 0,5 нм(приопределенных условиях можно рассматривать даже отдельные атомы). Максимальнаявеличина увеличения оптического микроскопа составляет 1000, электронного - 100000, аэлектронного для наблюдения отдельных атомов - 1000000.Электронные и ионные микроскопы подразделяются на три типа: просвечивающие,зеркальные и эмиссионные и могут использоваться в двух режимах - проекционном ирастровом сканирующем.С помощью сканирующих электронных микроскопов можно получатьинформацию: а) об изображении поверхности, топологических контрастов, структурыматериала, магнитных доменов; б) об атомном номере материалов поверхности, иххимическом составе, кристаллической ориентации и структуре кристаллов; в) ораспределенииэлектрическихпотенциаловвповерхностныхструктурах,местонахождении и высоте потенциальных барьеров, изменении проводимости, глубине итолщине р-n переходов, величине запрещенной зоны, распределении примесей и т.п.
Врежиме просвечивания можно наблюдать движение атомов и изучать ядерные процессы.Кроме того, электронная оже-спектроскопия (Рис.34) позволяет непосредственно во времяосаждения пленок или формирования слоев получать карту элементного анализаматериалов, т.е. контролировать качество проведения технологического процесса.Микроскоп с автоионной эмиссией имеет четкость разрешения, позволяющуюнаблюдать на поверхности металлических кристаллов массивы атомов с очень малымирадиусами. Рентгеновские микроскопы относятся к устройствам обычного проекционногоувеличения. Основное ограничение заключается в интенсивности рентгеновскогоизлучения и поэтому разрешение составляет величину порядка 0,1 мкм, что намногобольше их теоретического предела, но лучше, чем в оптических микроскопах.Для химического анализа поверхностей и пленок используется ряд методов, вкоторых отдается предпочтение рентгеновским и ионным пучкам, а не электронам.Коллимированный пучок рентгеновских лучей, при одинаковых с электронами энергияхпроникает в вещество значительно глубже и, следовательно, дает больше информации осоставе материала на больших глубинах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
