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.

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:

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

5-распыляемая мишень; 6-анод кольцевого разрядного промежутка;

7-обрабатываемая деталь; 8-ускоряющее поле обрабатываемой детали;

9-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.

С поверхности мишени 5 незаряженные атомы металла попадают в плазменный промежуток, где они ионизируются под воздействием электронных ударов и затем, ускоряясь электрическим полем, внедряются в поверхность обрабатываемой детали.

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.

I_k-ток компонента; I_km — максимальный ток ионного пучка;

m/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%.

2. 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.

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.

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

4. 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.

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

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

7. 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.