Механизмы имплантации в металлы и сплавы ионов азота с энергией 1-10 кэВ

1) ионный источник (плазмотрон);

2) система электропитания ионного источника;

3) система вакуумирования;

4) устройство для измерения дозы имплантации.

Ионный источник должен обеспечивать формирование и экстрагирование ионного пучка из газообразного азота при нормальных условиях рабочего вещества. Система вакуумирования должна обеспечивать остаточное давление в рабочей камере пор

ядка 10-2 – 10-3 Па [3]. Конструкция системы электропитания установки должна обеспечивать функционирование ионного источника, подачу высокого (от 1 кВ) ускоряющего напряжения между рабочей камерой и ионным источником и безопасность персонала при работе с высоким напряжением. Устройство для измерения дозы имплантации должно обеспечивать измерение дозы с максимально возможной точностью.

Рисунок 5.1 - Схема размещения узлов экспериментальной установки.

1 – вакуумные насосы; 2 – вакуумная камера; 3 – ионный источник; 4 – источник питания плазмотрона; 5 – высоковольтный источник питания; 6 – стойка управления системой вакуумирования; 7 – блок управления системой электропитания ионного источника.

В соответствии с изложенными требованиями создаётся установка для ионной имплантации ВИУ-1, схема размещения элементов которой показана на рисунке 5.1, а общий вид установки для ионной имплантации приведен на рисунке 5.2.

В качестве ионного источника использован дуоплазмотрон, разработанный в МАТИ им. К.Э. Циолковского (рисунок 5.3), который предназначен для ионизации газообразных веществ.

В качестве системы вакуумирования используется вакуумная установка для напыления покрытий методом КИБ ВУ-1Б, которая обеспечивает требуемое остаточное давление в вакуумной камере. В состав установки ВИУ-1 входит система электропитания дуоплазмотрона.

Рисунок 5.2 – Общий вид экспериментальной установки.

1 – ионный источник; 2 – вакуумная камера на базе установки ВУ–1Б; 3 – стойка управления системой вакуумирования; 4 – блок управления системой электропитания ионного источника.

5.2 Устройство системы электропитания имплантационной установки

Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки, изображенная на рисунке 5.3, включает следующие элементы:

· блок управления;

· источник питания плазмотрона;

· высоковольтный источник питания (ВИП).

Блок управления предназначен для выдачи необходимых регулирующих сигналов на источники питания плазмотрона и ВИП. Источник питания плазмотрона предназначен для поддержания на заданном уровне электрических сигналов, обеспечивающих функционирование дуоплазмотрона.

Рисунок 5.3 – Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки.

Высоковольтный источник питания предназначен для подачи на установку высокого ускоряющего напряжения. В схеме пульта управления предусмотрена возможность не только ручного, но и внешнего регулирования электрических параметров, в том числе от персонального компьютера.

Система электропитания установки ВИУ-1 обеспечивает возможность реализации процесса ионной имплантации азота в инструментальные материалы с целью модификации их поверхностных свойств. Широкие диапазоны регулирования электрических параметров, позволяют проводить исследования с целью оптимизации технологии ионного модифицирования поверхностных свойств металлов и сплавов. Безопасность персонала обеспечивается оптической развязкой цепей управления от высоковольтных цепей.

Для измерения дозы имплантации применено оригинальное устройство [3].

5.3 Устройство датчика ионного тока

В установках ионной имплантации уделяется повышенное внимание измерению ионного тока, так как эти измерения, что следует из соотношения (2.35) лежат в основе правильного задания и контроля дозы имплантации. Трудность при измерении ионного тока заключаются в том, что при прямом измерении значительную (до 10 раз) ошибку вносят вторичные электроны, выбитые с поверхности мишени (эффект нейтрализации).

В установке ВИУ-1 использовано устройство для измерения ионного тока, работающее по принципу цилиндра Фарадея. Схема измерительного устройства приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Устройство для измерения ионного тока.

1 – вакуумная камера; 2 – ионный поток; 3 – плазмотрон; 4 – коллектор электронов; 5 – мишень; 6 – стол; 7 – изоляторы; 8 – микроамперметр для измерения ионной составляющей тока; 9 – микроамперметр для измерения электронной составляющей тока.

В состав устройства входят: коллектор электронов 4 (металлический цилиндр с отношением длины к диаметру 6:1), изолированный от стенок вакуумной камеры 1, источник постоянного напряжения 100 В и два микроамперметра 8 и 9 для измерения ионной и электронной составляющих тока соответственно. Отличительной особенностью измерительного устройства является то, что рабочий стол 6 с обрабатываемыми образцами 5 размещается внутри данного устройства.

Разрабатываемое оборудование позволит осуществлять имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (Дж) в металлы и сплавы, модифицируя их свойства в нужном направлении.

Заключение

Несмотря на большое количество исследований в области ионной имплантации, остаётся ещё множество вопросов, стоящих перед исследователями [3]. В частности, мало изучены процессы, происходящие при внедрении ионов с энергией от 1 кэВ (Дж) до 10 кэВ (Дж) в материал подложки и от 50 МэВ (Дж) и более [12]. Данные многочисленных экспериментов свидетельствуют о наличие эффекта дальнодействия, когда радиационные дефекты и упругие напряжения в имплантированном слое могут проникать на значительно большие глубины нежели имплантированные атомы, оказывая существенное влияние на свойства легируемого изделия. Это сложный и малоизученный процесс, поэтому в настоящее время в литературе существуют лишь очень приблизительные модели его описания [21, 22].

С помощью анализа литературы были установлены основные процессы, происходящие при ионной имплантации, разработан комплекс моделей, позволяющих перейти от ТПО к эксплуатационным свойствам материала и составить прогноз о его эксплуатационном поведении.

Таким образом по работе можно сделать следующие выводы:

1. Анализ состояния вопроса поверхностной модификации свойств металлов и сплавов методом ионной имплантации азота позволил установить, что:

· ионная имплантация является высокоэффективным методом поверхностноймодификации;

· не предложено модели модификации поверхностного слоя металлов и сплавов в результате имплантации ионов азота, наиболее полно учитывающей процессы, происходящие при этом;

 Скачать реферат