Ионно-лучевая упрочняющая обработка

Ионно-лучевая упрочняющая обработка в технологиях приповерхностного изменения физических свойств материала деталей. В качестве рабочего вещества в этих технологиях обычно используют ионы тугоплавких металлов и химически активных газов. Вещество генерируется в виде направленного ионного пучка и имплантируется (внедряется) в поверхность детали. Рабочей средой является вакуум. При имплантации на поверхности детали создаются твердые растворы, химические соединения, наноструктурированные или аморфные слои, обеспечивающие изменение свойств поверхностного слоя детали.

К основным направлениям применения и развития видов ионно-лучевой обработки относятся: низкоэнергетическая ионная имплантация, имплантация ионов средних энергий, высокоэнергетическая имплантация, сильноточная имплантация, имплантация атомами отдачи и ионно-лучевое перемешивание. Рассмотрим подробней основные характеристики указанных видов.

Низкоэнергетическая имплантация. На практике к низконергетическим относят импланторы, ускоряющие частицы до энергии 1-10 кэВ. В этом диапазоне энергий доминирующим оказываются ядерные столкновения иона с атомами твердого тела. Конкретно соотношение вклада ядерных и электронных потерь определяется массами и зарядами имплантируемых ионов и атомов твердого тела, величиной боровского радиуса.

Имплантация ионов средней энергии. К ионам средней энергии относят частицы с энергией 10² -10³ кэВ. Именно в этой области работали первые промышленные импланторы. Оборудование для этого диапазона энергий оказывается сравнительно простым и недорогим. Глубина проникновения легирующих частиц обычно не превышает десятых долей микрометра, а разогрев поверхности при обработке металлов на оборудовании этого класса не превосходит 100 .

Высокоэнергетическая ионная имплантация.

К высокоэнергетической относят обработку частицами, энергия которых превышает 1 МэВ. В последние годы появились ускорители, обеспечивающие имплантацию тяжелых ионов с энергией, исчисляемой гигаэлектронвольтами. Диапазон высоких энергий целесообразно разделять на два поддиапазона. Для первого (ионы с энергией несколько мегаэлектронвольт) характерно количественное изменение таких параметров, как пространственное распределение внедренных атомов, радиационных дефектов, соотношение дефектов различного типа. Для второго (ионы с энергией в десятки мегаэлектронвольт и выше) наблюдаются качественно новые эффекты взаимодействия ионов с атомами, радикальное изменение соотношения между вкладами электронного и ядерного торможения, образование таких макродефектов строения как скрытые треки. При этом традиционные подходы к описанию экспериментальных результатов не всегда оказываются адекватными. Основное преимущество метода - большая глубина проникновения бомбардирующих частиц, достигающая 10¹ - 10² мкм. Ограничивающими факторами высокоэнергетической обработки являются небольшая плотность ионного тока, снижающая производительность процесса при необходимости получения высокой концентрации легирующей примеси, и высокая стоимость оборудования. Несмотря на это, технологические возможности высокоэнергетической имплантации, в частности, создание трехмерных структур в микроэлектронике, стимулируют развитие активных исследований в этом направлении.

Сильноточная ионная имплантация с плотностями ионного тока 1 - 10³ мА/см², в том числе импульсная, сопровождается существенным разогревом поверхности и обеспечивает сочетание баллистических и диффузионных процессов.

Имплантация атомами отдачи и ионное перемешивание. Особенность метода заключается в том, что основной эффект имплантации связан с перемещением так называемых атомов отдачи, получивших импульс при взаимодействии с частицами первичного ионного пучка. В качестве первичных чаще всего используют достаточно тяжелые ионы инертных газов. Основным преимуществом метода является простота получения высокой концентрации легирующей примеси, например, атомов предварительно нанесенной на поверхность обрабатываемого изделия тонкой пленки, и большая толщина легированного слоя. Поскольку каждый ион высокой энергии обеспечивает перемешивание большого числа атомов мишени, заметное изменение физико-механических свойств может достигаться при дозах легирования на 1-2 порядка меньших, чем при использовании прямой ионной имплантации. В зависимости от температурных условий облучения, соотношения масс и энергии бомбардирующих ионов и атомов, образующих твердое тело, перераспределение атомов при ионном перемешивании и имплантации атомами отдачи определяется различными механизмами. Для преодоления проблемы распыления поверхности при ионном перемешивании разработан метод динамического перемешивания. Суть метода заключается в одновременной доставке на поверхность обрабатываемой детали легирующих атомов и ионов, реализующих перемешивание с основой. Соотношение потоков подбирается так, чтобы скорость ионного распыления равнялась скорости доставки атомов на поверхность. Метод нашел широкое применение для синтеза новых, в том числе метастабильных соединений (c-BN, Ti₂N, карбидов Сг, Zr, Mo, РЬТiОз, алмазоподобных структур и т д.).