Распыление - поверхность
Cтраница 2
Характерная особенность высококонцентрационной имплантации - получение из одного источника импульсно-периодических пучков ускоренных ионов и плазменных потоков, что дает возможность воздействовать на обрабатываемую поверхность чередующихся ионных пучков и потоков плазмы для осаждения покрытия. При этом за счет атомного перемешивания удается компенсировать распыление поверхности и повысить концентрацию внедряемой примеси. [16]
Нижний предел определяется числом ионов газа, необходимых для распыления до -, статочного количества атомов катода. Верхний предел ограничивается средней длиной свободного пробега ионов, при которой их энергия еще достаточна для распыления поверхности катода. В холодном ПК давление пара материала катода значительно ниже давления рабочего газа; в спектре свечения преобладают линии рабочего газа и наиболее интенсивные линии материала катода или внесенной в него пробы. [17]
Основными преимуществами ионной имплантации, если сравнивать ее с другими методами, основанными на легировании поверхности [80], являются: возможность получения практически любой комбинации матрица-легирующий компонент, в том числе сплавов элементов, несмешиваемых в твердом и жидком состоянии и весьма далеких от термодинамического равновесия; отсутствие проблемы адгезии, характерной при нанесении покрытий: практически неизменность размеров обрабатываемой поверхности; исключительная чистота процесса; введение строго контролируемого количества легирующей примеси; возможность осуществления процесса при любых, в том числе комнатных и отрицательных, температурах. К недостаткам следует отнести такие: глубина проникновения имплантируемых ионов не превышает, как правило, десятые доли микрометра; максимально достижимая концентрация легирующей примеси ограничена распылением поверхности ( не более 10 - 20 %); затруднительность обработки затененных участков поверхности; относительная сложность и высокая стоимость оборудования. [18]
Основными преимуществами ионной имплантации, если сравнивать ее с другими методами, основанными на легировании поверхности [80], являются: возможность получения практически любой комбинации матрица-легирующий компонент, в том числе сплавов элементов, несмешиваемых в твердом и жидком состоянии и весьма далеких от термодинамического равновесия; отсутствие проблемы адгезии, характерной при нанесении покрытий; практически неизменность размеров обрабатываемой поверхности; исключительная чистота процесса; введение строго контролируемого количества легирующей примеси; возможность осуществления процесса при любых, в том числе комнатных и отрицательных, температурах. К недостаткам следует отнести такие: глубина проникновения имплантируемых ионов не превышает, как правило, десятые доли микрометра; максимально достижимая концентрация легирующей примеси ограничена распылением поверхности ( не более 10 - 20 %); затруднительность обработки затененных участков поверхности; относительная сложность и высокая стоимость оборудования. [19]
С его помощью получена подавляющая часть информации о закономерностях зернограничной сегрегации элементов при развитии обратимой отпускной хрупкости сталей и сплавов железа. Его основные преимущества заключаются в возможности обнаружения всех элементов ( кроме водорода и гелия), в высокой чувствительности ( обнаруживает и измеряет зернограничную сегрегацию при степени заполнения Сг - 0 01), в высокой разрешающей способности по глубине ( порядка атомного размера) и по площади ( - 10 - 2 мкм2), в возможности проведения послойного анализа при распылении поверхности образца ионами аргона и, наконец, в возможности объединения Оже-спектромет-ра и растрового электронного микроскопа в так называемый сканирующий Оже-микроскоп для получения информации о химическом составе, привязанной к микротопографии поверхности разрушения. [20]
При взаимодействии высокоэнергетического иона с атомами твердого тела происходит передача энергии с соответствующим возбуждением атомов. Если возбуждение происходит в непосредственной близости от поверхности твердого тела, а энергия возбужденных атомов велика, наблюдается распыление поверхности. [21]
В качестве рабочих тел могут быть использованы металлы, газы, твердые и жидкие диэлектрики. В этих условиях возможны такие процессы, как насыщение поверхностных слоев материала др. веществом с обеспечением необходимой толщины насыщенного слоя или глубины его залегания, высокоэффективное распыление поверхности, конденсация вещества в вакууме из плазменной фазы при обеспечении органич. [22]
 |
Схема установки для динамического. [23] |
Рассмотрим кратко основные известные схемы оборудования для осуществления совмещенных методов формирования покрытий. Первоначально она разрабатывалась как установка высокодоз-ного легирования с использованием ионного перемешивания. Таким образом преодолевается проблема распыления поверхности. Если отказаться от условия постоянства толщины нанесенной пленки и обеспечить требуемое соотношение интенсивности и энергии двух пучков ионов, то не представляет труда использовать оборудование для выращивания пленок при одновременной бомбардировке высокоэнергетическими ионами. [24]
Третья форма износа контактных поверхностей носит название электрической эрозии ( распыления) и заключается в отрыве от поверхности электродов зерен материала и в переносе их на противоположный электрод. Анализ эрозии пульсирующих контактов показал, что распыление катода происходит, если разрыв контактов сопровождается электрической дугой, а распыление анода - при искре. В щеточном контакте имеют место оба вида эрозии, но обычно преобладает эрозия анода. Поэтому отрицательное контактное кольцо ротора компенсатора, соединенное с минусом возбудителя и являющееся анодом, имеет матовую контактную поверхность, а положительное кольцо, являющееся катодом - зеркально-блестящую. Из-за меньшего распыления поверхности положительное кольцо нанашивается меньше отрицательного, чему способствует более твердая поверхность, постепенно возникающая на положительном кольце, являющаяся результатом анодной эрозии спаренных с ним щеток. [25]
В большинстве практически важных случаев ионного легирования машиностроительных материалов необходимо достижение концентрации легирующей примеси в единицы и десятки процентов. Соответствующие дозы легирования должны составлять 1016 - 1018 ионов на 1 см2 облучаемой поверхности. Для сравнения отметим, что при легировании полупроводниковых материалов достаточны дозы, меньшие на два-три порядка. При высоких концентрациях легирующей примеси становится существенным распыление поверхности мишени налетающими ионами. В предельном случае распыление поверхности определяет максимально достижимую концентрацию ионов и приводит к трансформации профиля их распределения от гауссова к платообразному с максимумом концентрации на поверхности. Для количественного описания процесса вводится коэффициент распыления, определяющий число атомов мишени, выбиваемых одним падающим ионом. [26]
Тем не менее механизм явления остается вещью в себе. Две основные альтернативные концепции-увеличение адгезии за счет ионного перемешивания на границе раздела и возбуждения электронных оболочек с последующей перестройкой межатомных связей. Эффективность первого механизма настолько очевидна, что его вряд ли стоит сбрасывать со счетов, за исключением тех случаев, когда глубина проникновения первичных ионов и атомов отдачи меньше толщины обрабатываемого покрытия. В совмещенных методах формирования покрытий такая ситуация автоматически исключается. Так, при обработке поверхности твердого тела ионами с энергией 1 5 - 3 10 - 16 Дж, что соответствует стадии ионной очистки при нанесении покрытия, наблюдается эффект распыления поверхности. При этом часть ионов внедряется в материал на глубину в несколько нанометров, другая осаждается на поверхности. Результаты измерения интенсивности характеристического излучения Ка титана с поверхности образцов армко-железа, подвергнутых ионной очистке пучком ионов Ti с энергией 2 - 10 - 16 Дж, показывают, что уже в течение 3 - 5 с на поверхности образцов армко-железа образуется слой титана толщиной 15 - 30 нм. При увеличении времени очистки до 10с толщина линейно возрастает. Дальнейшее увеличение времени ионной очистки до 30 с характеризуется некоторым замедлением накопления титана и за 300 с эффективная толщина слоя титана на поверхности армко-железа достигает 300 нм. [27]
В большинстве практически важных случаев ионного легирования машиностроительных материалов необходимо достижение концентрации легирующей примеси в единицы и десятки процентов. Соответствующие дозы легирования должны составлять 1016 - 1018 ионов на 1 см2 облучаемой поверхности. Для сравнения отметим, что при легировании полупроводниковых материалов достаточны дозы, меньшие на два-три порядка. При высоких концентрациях легирующей примеси становится существенным распыление поверхности мишени налетающими ионами. В предельном случае распыление поверхности определяет максимально достижимую концентрацию ионов и приводит к трансформации профиля их распределения от гауссова к платообразному с максимумом концентрации на поверхности. Для количественного описания процесса вводится коэффициент распыления, определяющий число атомов мишени, выбиваемых одним падающим ионом. [28]
Однако не следует преувеличивать значимость этих недостатков. Так как площадь фактического контакта при трении твердых тел составляет, как правило, 10 - 3 - 10 номинальной, в каждый данный момент времени в контакте находится незначительное количество самых высоких микронеровностей и влияние ионного легирования проявляется на глубине, превышающей толщину шероховатого слоя. Следовательно, ионно-лучевое модифицирование может существенным образом влиять на процессы деформации и разрушения поверхностных слоев, в особенности при мягких режимах взаимодействия. Что касается ограничений по концентрации легируемой примеси, то можно отметить, что в ряде случаев для заметного роста износостойкости оказывалось достаточно незначительного изменения химического состава поверхностного слоя. При необходимости достижения высоких концентраций имплантируемых элементов, превышающих дозу насыщения ( максимально достижимую концентрацию легирующей примеси, ограниченную распылением поверхности), может использоваться ионное перемешивание, когда легирование осуществляется за счет внедрения атомов предварительно нанесенной на поверхность пленки, а не потока бомбардируемых ионов. [29]
Однако не следует преувеличивать значимость этих недостатков. Так как площадь фактического контакта при трении твердых тел составляет, как правило, 10 - 3 - 10 1 номинальной, в каждый данный момент времени в контакте находится незначительное количество самых высоких микронеровностей и влияние ионного легирования проявляется на глубине, превышающей толщину шероховатого слоя. Следовательно, ионно-лучевое модифицирование может существенным образом влиять на процессы деформации и разрушения поверхностных слоев, в особенности при мягких режимах взаимодействия. Что касается ограничений по концентрации легируемой примеси, то можно отметить, что в ряде случаев для заметного роста износостойкости оказывалось достаточно незначительного изменения химического состава поверхностного слоя. При необходимости достижения высоких концентраций имплантируемых элементов, превышающих дозу насыщения ( максимально достижимую концен фацию легирующей примеси, офаниченную распылением поверхности), может использоваться ионное перемешивание, когда легирование осуществляется за счет внедрения атомов предварительно нанесенной на поверхность пленки, а не потока бомбардируемых ионов. [30]
Страницы: 1 2 3