Технологии ионо-вакуумной обработки

В основе технологий ионно-вакуумной обработки лежит бомбардировка поверхности заготовки пучком ионов с возможным проникновением их на глубину до 0,01 – 1мкм. Обработку осуществляют в вакууме р=10^-3 - 10^-5Па. Чаще всего ионы положительные, их проще получать.

В качестве бомбардирующих частиц можно использовать ионы всех элементов таблицы Д.И.Менделеева, а также молекулярные ионы и частицы в различных зарядовых состояниях. Поэтому ионные пучки - очень гибкое средство воздействия на обрабатывающую заготовку.

Используют в ионно-вакуумной обработке ионы с энергией Wион=10^-2-10⁸(эВ) и определяется она по формуле:

W_ион = g_ион U (кэВ),где g_ион –заряд иона

Другая характеристика: плотность потока ионов

r_ион (ион/м²с)

Она определяет производительность процесса. Эти характеристики определяют вид обработки: поверхностный или объемный. Объемные эффекты (имплантация) начинают проявляться с доз облучения

D=10¹⁶-10¹⁸ион/см²

Ионная имплантация в металлы.

Наиболее интересны для нас, механиков, процессы, связанные с проникновением ионов в твердое тело и распыление поверхностного слоя. Они сопровождаются рядом других физико-химических процессов, которые не только определяют конечный результат, но и сами могут выступать в качестве основы для создания технологических процессов обработки и контроля.

На основе явлений: потенциальной электро-ионной эмиссии, рентгеновского излучения, кинетической электро-ионной эмиссии созданы методы исследования состава, структуры, характера химических связей приповерхностных слоев заготовки.

К ним относятся методы:

ОЖЕ –спектроскопии, ионно-нейтрализационная спектроскопия, метод обратного расшивания быстрых ионов и др.

Таким образом, возникновение радиационных эффектов при ионной бомбардировке, с одной стороны, дает мощные средства для контролируемого управления свойствами приповерхностных слоев твердого тела, а с другой стороны –требует учета и анализа при проведении технологических процессов ионно-вакуумной обработки.

90% всей внесенной в тело энергии переходит в теплоту, поэтому возможно плавление, испарение материала. Однако в ионно-вакуумной технологии эти процессы не используются, так как не выдерживают конкуренции с нагревом электронными пучками, получение которых значительно проще.

Распыление вещества –распыляются атомы и "куски" вещества (десятки атомов-кластеры)- ионное травление в технологии. Распыленное вещество можно осадить в виде тонкой пленки – метод напыления тонких пленок. Сделав анализ распыленного вещества, узнают состав: метод вторичной ионной масс-спектроскопии.

Ионное легирование или ионная имплантация - меняет электрические, химические, механические оптические и другие свойства материалов. Появляется возможность создавать сплавы и соединения, которые принципиально нельзя получить традиционными методами. Можно достигать концентрации внедренной примеси в веществе.

Естественно, что внедренные ионы в дальнейшем при благоприятных условиях могут вступать в химические реакции с веществом мишени (при облучении, нагреве, механообработке).

Цель: получение поверхностного слоя с заданными отличными от основы, свойствами путем внедрения в этот слой чужеродных ионов вещества. Как уже указывалось, могут меняться все свойства материала в заданном направлении.

Однако задача эта весьма сложна, т.к. требует:

· Выбора имплантируемого материала, обеспечивающего протекание процесса в заданном направлении;

· Определение необходимой глубины имплантирования;

· Исходной энергии иона, W_ион (кэВ)

· Определение требуемой дозы имплантации, Д_ион (ион/м²)

Полной математической модели этих процессов еще не создано. Тем не менее, качественно эту задачу попробуем рассмотреть.

Рассматривая ИИ в материалы, следует учитывать, что непосредственно с внедрением имплантируемых ионов идут и другие процессы:

· Распыление поверхностного слоя;

· Структурные превращения: аморфизация и кристаллизация;

· Химические взаимодействия вещества основы с имплантируемыми атомами;

· Тепловые процессы, т.к. 90% энергии ионов переходит в тепло;

· Диффуззионные процессы, определяющие движение ионов в веществе и т.д.

На конечный результат влияет также положение имплантированных ионов в кристаллической решетке. Они могут занимать междуузелье, а могут быть и в узлах решетки. Однако это положение должно быть активным. Требуемую активность ионы могут получать не во всех положениях, а только в одном. Следовательно, важно не только ввести ион в решетку, но и поместить ион в заданное место решетки, которое и определяет его активность.

Это часто достигается высокотемпературной обработкой. Данное требование особенно важно для получения проводников на основе кристаллов Si,Ge.

Распыление поверхностного слоя идет одновременно с имплантацией в него ионов. Распыление – выбивание атомов основы в вакуум.

При малых дозах имплантации (Д_ион=10¹⁵ см^-2), что характерно для полупроводников, распыление мало, и его не учитывают. Малая доза вызвана тем, что полупроводники очень чувствительны к наличию примесей.

При имплантации металлов, котроые менее чувствительны к д, применяют Д=10¹⁷-10¹⁹см^-2

При этом распыление может идти активно и преобладать над имплантацией. Создается установившийся режим, характеризуемый примерным постоянством.