ЭИПТ-2 (1072583), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

где r – расстояние от центра луча до рассматриваемой точки; _T =_T /(^.c) – температуропроводность материала; _T – теплопроводность;  - плотность материала; с – теплоемкость.

Установившаяся температура может быть определена как

,

где r₀ – радиус электронного луча; P_e - удельная мощность электронного луча.

Изменение температуры поверхности при воздействии электронного луча можно рассчитать по формуле

,

где I_e– ток пучка; q_e - заряд электрона.

Скорость испарения материала равна

,

где p_s– упругость пара материала при температуре T; M - молекулярная масса испаряемого материала.

Параметры электронных пучков можно регулировать в широком диапазоне для проведение различных видов обработки изделий (Табл.3).

Несмотря на сложности выполнения электронно-лучевой обработки, связанные с необходимостью помещать объекты обработки в вакуум, она успешно конкурирует с другими методами благодаря следующим преимуществам:

- универсальности (можно обрабатывать практически любые материалы, причем не только изменять геометрические размеры деталей и свойства их поверхности, но и проводить различные измерения);

- экологической чистоте (процесс протекает в высоком вакууме, электронный луч не вносит загрязнений и не подвержен износу, контроль с его помощью, как правило, является неразрушающим;

- управляемости (можно легко регулировать энергию, фокусировку, модуляцию и отклонение электронных пучков, причем малая инерционность позволяет быстро перемещать луч с одного участка на другой и обеспечивать высокую скорость обработки и локальность воздействия).

О дной из наиболее важных областей использования электронно-лучевой обработки в машиностроении является сварка. Электронным лучом можно сваривать: стали с высоким содержанием углерода; металлы с высокой теплопроводностью (медь и ее сплавы, золото, серебро, платину); тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден, ниобий, титан и его сплавы); химически активные металлы (бериллий, ванадий). Наиболее характерными объектами для электронно-лучевой сварки являются: элементы зубчатых зацеплений, узлы двигателей самолетов, элементы электродвигателей, электронные устройства и приборы, сильфоны и мембраны из коррозионно-стойкой стали, элементы прецизионных устройств и механизмов (справа – фото электронно-лучевой установки и процесса сварки шестерни).

4. Взаимодействие ионных потоков с материалами

В зависимости от материала, формы, энергии и удельной мощности ионного пучка при взаимодействии его с веществом происходят процессы направленного изменения геометрических размеров и свойств твердого тела, а также их контроля. Ионный пучок может быть сформирован как из положительных, так и отрицательных ионов, однако наиболее часто используют ионы, несущие положительный заряд, из-за большей простоты их получения и управления параметрами пучка. В качестве материала ионного пучка могут быть использованы атомы практически всех элементов таблицы Менделеева, включая ионы молекул, что при возможности варьирования величиной заряда делает ионные пучки потенциально более гибким средством воздействия на обрабатываемый или исследуемый объект по сравнению с электронными пучками.

Основные эффекты, возникающие при взаимодействии ускоренных до энергий от 100 эВ до 10 МэВ ионов с веществом и наиболее часто используемые в ионных и плазменных технологиях, можно иллюстрировать следующей схемой (Рис.5):

а) Двигаясь в вакууме к облучаемому образцу, ионы могут сталкиваться с атомами и молекулами остаточных или рабочих газов и паров. Как и в случае с электронными пучками может происходить рассеяние и потеря энергии первичных частиц, однако, кроме ионизации попавшегося на пути атома и испускания при этом фотона, возможно явление перезарядки ионного пучка. Оно сводится к тому, что движущийся ион захватывает электрон у атома, с которым он столкнулся, и продолжает движение практически с той же скоростью, но уже в нейтральном состоянии. Эффект перезарядки ионного пучка можно осуществить и с помощью направленного на него потока электронов, которые нейтрализуют заряд и тем самым создают пучок ускоренных атомов, которые используются, например, для обработки диэлектриков;

б) Ударяющиеся о поверхность образца ионы могут оказаться связанными с ней за счет адсорбции или хемосорбции, что может быть использовано для получения тонкопленочных слоев. Вероятность того, что ударившийся о поверхность ион останется на ней рассчитывается с помощью коэффициента аккомодации =( E_i-E_d^’)/(E_i-E_d^’’)1, где E_i – кинетическая энергия иона; E_d^’ – энергия десорбированного атома до наступления термодинамического равновесия с подложкой;E_d^’’ - энергия десорбированного атома после установления термодинамического равновесия с подложкой;

в) При столкновении с поверхностью твердого тела ионный пучок может рассеиваться атомами или группой атомов облучаемого образца, при этом происходит отклонение траектории ионов от первоначального направления и обмен энергии между ними и атомами мишени. В зависимости от материала взаимодействующих частиц и энергии ионного пучка обмен энергии может быть упругим (с ядрами) и неупругим (с электронами) (Рис.6). В первом случае потеря энергии иона E_n по глубине проникновения x рассчитывается по следующей формуле:

,

где Z₁ и M₁, Z₂ и M₂ - атомный номер и молекулярная масса (кг/кмоль) ускоренного иона и атомный номер и молекулярная масса атома материала облучаемого образца, соответственно; N – плотность атомов, нм^-3.

При этом максимальная энергия E_max, передаваемая атому материала ионом с энергией E_i равна

,

а пробег иона в твердом теле равен

.

Во втором случае потеря энергии иона E_e по глубине проникновения x рассчитывается по следующей формуле

, эВ/нм,

а пробег иона равен

, нм.

При неупругих соударениях энергия может выделяться в виде квантов излучения - свечения (ионолюминесценция), характеристического или тормозного рентгеновского излучения. Эти эффекты используются в ионной микро- и спектроскопии. Если импульс иона достаточно велик, то он может сместить поверхностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (атомная дислокация). Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в толще образца;

г) Упруго отраженные ионы могут вызывать десорбцию слабо связанных с поверхностью атомов и молекул газов и паров, а также различных видов загрязнений. Этот эффект широко используется для очистки поверхностей деталей перед многими операциями, особенно перед процессами эпитаксии и осаждения тонких пленок;

д) Если бомбардирующие поверхность образца ионы передают настолько большой импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, то происходит физическое распыление. Это явление наиболее эффективно проявляется при энергиях иона от 0,5 до 5 кэВ, а показателем эффективности является коэффициент распыления S=N_a/N_i, где N_a - количество распыленных атомов, N_i - количество падающих на поверхность мишени ионов.

Коэффициент распыления зависит от максимальной энергии E_max, передаваемой атому материала падающим на поверхность мишени ионом (с энергией E_i), коэффициента , энергия межатомных связей распыляемого материала U₀ и рассчитывается по следующей формуле:

Отношение масс распыленных атомов и падающих ионов M₂/M₁ влияет на  согласно Табл.4, а U₀4 H_субл., где H_субл.- энергия сублимации распыляемого материала.

4.Соотношение между M₂/M₁ и 

Коэффициент распыления S зависит также от угла падения иона  согласно выражению S () = S(0)/Cos, где S(0) - коэффициент распыления при падении иона перпендикулярно поверхности мишени, т.е. при =0. Увеличение коэффициента распыления при отклонении направления падения иона от перпендикуляра к поверхности объясняется гипотезой о парных упругих столкновениях (Рис.7).

Согласно этой гипотезе при столкновении ускоренного иона с молекулярной массой M₁ с атомом материала мишени с молекулярной массой M₂ угол отклонения иона  меньше угла отклонения атома :

Таким образом при M₁<M₂ вероятность “выхода” иона больше, т.к. увеличиваются углы  и ; при M₁>M₂ - вероятность “выхода” иона меньше, т.к. движение атомов зарождается на большей глубине. При этом атомы или группы атомов в приповерхностном слое толщиной порядка 1 нм движутся в направлении границы твердое тело - вакуум и выходят из мишени. Вылетающие атомы или кластеры (группы атомов) могут находиться в нейтральном, заряженном или возбужденном состоянии.

Явление ионного распыления широко используется для строго дозированного удаления вещества с определенных участков обрабатываемого изделия (“ионное фрезерование”), нанесения тонких пленок в вакууме из большой номенклатуры материалов, анализа распыленных частиц по массам;

е) Пучок химически активных ионов на основе H⁺, O⁺, N⁺, Cl⁺, F⁺ и других элементов может вступать в химическую реакцию с атомами облучаемого образца и образовывать на его поверхности новые химические соединения, в том числе и газообразные. Этот эффект называется химическим ионным распылением и широко используется в операциях ионно-химического травления материалов и ионно-химического осаждения тонких пленок;

ж) Если при ионном распылении поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают образец, то имеет место вторичная ионная эмиссия. Сила тока вторичных ионов моноизотопа распыленного вещества равна J_i2=^.k^.C^.S, где  - чувствительность датчика; k - коэффициент ионизации (10^-5 – 10^-1); C - концентрация i-го элемента в мишени; S - коэффициент распыления i-го элемента (0,1 – 10). Этот эффект лежит в основе принципа действия анализатора химического состава вещества;

з) При ионной бомбардировке металлических поверхностей возникает вторичная электронная эмиссия, которая является естественным средством поддержания самостоятельного газового разряда. Кроме того, это явление используется в ионной микроскопии и спектроскопии;

и) Если энергия, переданная пучком ионов атомам мишени недостаточна для их распыления, то атомы начинают колебаться около положения равновесия, растрачивая энергию на нагрев окружающей их среды, что приводит, естественно, к нагреву мишени. При достаточной мощности, выделяемой на единицу поверхности мишени, возникают процессы (плавление и испарение вещества мишени, термоэмиссия электронов, термоизлучение и т.п.), которые ничем не отличаются от происходящих при облучении мишени электронами. Примером термической обработки с помощью ионных пучков может служить протонный отжиг полупроводниковых материалов. Однако, они, как правило, не выдерживают конкуренции с нагревом электронными пучками, получение которых значительно проще.

к) Ионные пучки подобно электронным могут изменять химический состав вещества, в который они проникают. Если в качестве материала использовать ионорезист, а ионный пучок сфокусировать в пятно малого диаметра, то можно получить изображение с размерами в доли микрометра;

Характеристики

Список файлов лекций