Источник ионов для технологических установок

ИСТОЧНИК ИОНОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

В.Н. Злобин, И.П. Васильев, В.В. Лукин

Изложены особенности работы источника ионов. Рассмотрено распределение электростатических полей и состав ионов газа и металла в источнике ионов. Приведены экспериментальные данные по определению состава ионного пучка.

Одним из наиболее перспективных способов модификации поверхности является ионная имплантация [1,2]. Данный способ представляет собой внедрение элементов в поверхностный слой обрабатываемого материала. В вакууме ионы различных элементов ускоряются электрическим полем до высоких энергий и направляются на обрабатываемую деталь. Внедряясь в поверхность, ионы тормозятся серией столкновений с атомами вещества. Глубина проникновения в поверхность зависит от энергии ускоренных ионов и имеет сложную зависимость.

С помощью этого способа производят поверхностное легирование различных деталей. При этом износостойкость, например, режущего инструмента повышается от 2 до 10 раз. В настоящее время этот процесс разрабатывается для изготовления катализаторов химической промышленности, в двигателестроении при упрочнении прецизионных деталей топливной аппаратуры, в системах нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [3].

Привлекательным является возможность нанесения таких покрытий, как на металлические, так и на неметаллические поверхности (диэлектрики, керамику, пластмассу, стекло).

Интерес к этому способу вызван рядом положительных особенностей, которыми он обладает по сравнению с традиционными способами нанесения покрытий (диффузией, сплавлением, легированием из расплава, легированием в процессе эпитаксии). К основным преимуществам этого способа, который связан с нетепловым характером легирования, относятся низкотемпературное осуществление процесса, возможность введения любой примеси в разные твердые тела без ограничения пределом растворимости, точный контроль глубины и профиля распределения примеси, легирование через тонкие диэлектрические и металлические покрытия, возможность полной автоматизации.

Максимальный диаметр пучка ионов составляет 500 мм при плотности тока 5-20 мкА/см². При использовании вращающегося рабочего стола данная поверхность существенно увеличивается.

Технологический процесс осуществляется следующим образом. После загрузки в вакуумную камеру обрабатываемых деталей производится герметизация камеры и её откачка вакуумными насосами. Далее происходит напуск рабочего (плазмообразующего) газа, включается электрическое питание источника ионов и ускоряющего промежутка, ускоряясь в котором, ионы внедряются в поверхность обрабатываемой детали.

В основу работы разработанного источника ионов положен электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях в парах легирующего элемента и плазмообразующего газа.

Конструкция источника ионов содержит две области: кольцевую, в которой образуются ионы газа, и продольную, в которой дополнительно ионизируются нейтральные атомы рабочего вещества, выходящие из мишени под действием катодного распыления газовыми ионами. Подробнее процессы, проходящие в источнике ионов, представлены на рис.1.

источник ион ионная имплантация

Рис.1. Схема расположения электростатических полей в источнике ионов:

-межэлектродный промежуток кольцевого разряда; 2-ускоряющее поле мишени; 3-анод разрядного промежутка Пеннинга и катод кольцевого разрядного промежутка; 4-нижний катод разрядного промежутка Пеннинга;

-распыляемая мишень; 6-анод кольцевого разрядного промежутка;

-обрабатываемая деталь; 8-ускоряющее поле обрабатываемой детали;

-плазменный промежуток.

Для включения источника ионов на его электроды 6,3 подаётся напряжение порядка одного киловольта, а между электродами 3,5 - до десяти киловольт. При этом в межэлектродном кольцевом промежутке 6,3 загорается аномальный тлеющий разряд. При давлении газа ниже 0,066 Па (5^мм рт. ст.) в разрядном промежутке 3,5,7 устанавливается высоковольтный режим горения разряда. Ионы плазмообразующего газа, например азота, ускоряемые электрическим полем устремляются к катоду 3. Часть газовых ионов проходит сквозь кольцевой зазор и попадает под действие электростатических полей 2 и 8. Ионы газа, бомбардирующие мишень 5, упруго сталкиваются с атомами вещества. Происходит ядерное торможение, при котором кинетическая энергия ионов передается атомам мишени, в результате которого происходит катодное распыление мишени. Характерно, что доля ядерного торможения особо велика при невысоких энергиях внедряемых ионов, порядка 7-10 кВ [4,5]

Распыленные газовыми ионами нейтральные атомы металла попадают в плазменный промежуток 9 и ионизируются электронами. Для улучшения процесса ионизации плазма находится в магнитном поле, которое направлено вдоль оси источника и удлиняет траектории их движения. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила образующая правую тройку векторов с направлением движения и вектором магнитной индукции. В результате сложения сил электрон движется по спирали вдоль силовых линий магнитного поля, как бы наматываясь на них.

Особенностью данной конструкции источника ионов является то, что плазмообразующий промежуток находится на разных расстояниях от катода 5 и от обрабатываемой детали 7, но оба эти электрода действуют своими потенциалами на эту область ионного источника практически одинаково, поставляя в ее ионизирующую плазму электроны вторичной ионно-электронной эмиссии. Вероятность ионизации растет с увеличением средней длины пробега электрона. Ионизированные атомы имплантируемого вещества попадают в ускоряющее поле 8 и внедряются в обрабатываемую деталь. Так как в устройстве ионного легирования отсутствует электромагнитный сепаратор, то образец легируется несколькими видами ионов: однозарядными и многозарядными. Об этом свидетельствуют исследования глубины пробега внедренных ионов на косых шлифах образцов рентгеноструктурным методом, в результате которых получены максимумы их концентраций, распределенные по глубине образцов [6,7].

Исследования выходящих ионных пучков, проведенные на секторном магнитном масс-спектрометре при работе в источнике ионов мишени из магния, никеля, цинка, олова и использовании в качестве плазмообразующего газа азота и аргона показали, что во всех случаях можно подобрать конструкцию и режимы разряда, при которых количество ионов металла и газа на коллекторе одинаково.

На рис.2 показан масс-спектр ионного пучка при использовании в качестве мишени магния, а плазмообразующего газа - аргона. Абсолютная величина токов ионов металлов на коллекторе после прохождения масс-спектрометра длиной около 1 метра составляла 10^-8-10^-9 А.

Рис.2. Масс-спектр ионного пучка._k-ток компонента; I_{km -} максимальный ток ионного пучка;/e - отношение атомной массы вещества мишени к элементарному заряду.

Выводы 1. Из масс-спектра следует, что на двухзарядные и однозарядные ионы аргона приходится такое же количество ионов магния. Это свидетельствует о том, что содержание ионов металла в потоке ионов может составлять 50%.

. Особенностью многозарядных ионов является то, что они приобретают в несколько раз большую энергию, чем однозарядные и вследствие этого увеличивается глубина их проникновения. Также следует учитывать тот факт, что многозарядные ионы сильнее взаимодействуют с электронными оболочками и ядром атома, усиливая химические и физические взаимодействия в поверхностном слое обрабатываемой детали.

Литература

1.       Ионная имплантация / Под ред. Дж.К. Хирвонена. Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1985. - 392 с.

2.       Модифицирование и легирование поверхности лазерными ионными и электронными пучками. / Под ред. Дж.М. Поута и др.; Пер. с англ. Н.К. Мышкина и др.; Под ред. А.А. Углова - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.

.        Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Оптимальные режимы активации поверхности методом ионной имплантации // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1989. - №7. - с.148-149.

.        Байрамов А.Х. Ионное легирование и коррозия металлов // Итоги науки и техники. Серия Коррозия и защита от коррозии - М.: ВИНИТИ, 1982. - т.9. - с.139-172.

.        Бекишева А.М., Дагман Э.Е., Тишковский Е.Г. Моделирование процессов имплантации в многослойные структуры // Автометрия. - 1989. - №1. - с.41-45.

.        ZlobinV. N. ets. The Ion Implantation of ZnS // Mat. Res. Bull. - 1973. - №8. - p.893-898.

.        Gaponenko A. T., ZlobinV. N. Hardening of a cutting tool by ion implantation // Trans. X-th Int. Symp. On Discharges and Electr. Insulation in Vacuum - Columbia. South Carolina. - 1982. - p.375-377.