Особенности высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/157

Особенности высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии

Проведены численное моделирование и экспериментальные исследования для определения реальных температур поверхностных и приповерхностных слоев различных материалов в зависимости от режимов высокоинтенсивного ионного облучения. Интегральная температура мишени измерялась с помощью электрически изолированной термопары. Для измерения динамического изменения локальной температуры на облучаемой поверхности мишени использовался высокотемпературный импульсный пирометр KLEIBER 740-LO. Исследован вклад ударно-волнового механизма в массоперенос имплантируемой примеси при высокоинтенсивном ионном облучении и закономерности накопления имплантируемой примеси при горячей высокоинтенсивной имплантации ионов.

Features of high-intensity implantation of low energy ions.pdf Введение Ионная имплантация является важным инструментом при модификации поверхностей широкого круга материалов для значительного спектра применений в областях фундаментальных исследований и прикладных технологий [1-4]. Метод ионной имплантации обладает уникальными свойствами и обеспечивает возможность управляемого изменения элементного состава, микроструктуры и свойств различных материалов, включая полупроводники, металлические и диэлектрические материалы. Высокая чувствительность проводимости полупроводников к легирующей примеси даже при малых флюенсах облучения способствовала широкомасштабному применению метода в полупроводниковой промышленности. Развитие исследований по модификации структуры и свойств металлов и сплавов потребовало создания нового класса ионных источников и даже методов ионной обработки, обеспечивающих флюенсы облучения на несколько порядков большие, чем для полупроводников, с возможностью однородной имплантации ионов в детали сложной формы. Обычная ионная имплантация реализуется при облучении поверхности образцов металлическими или газовыми ионами с энергией ионов в диапазоне 10-100 кэВ при плотностях токов 1-100 мA/см2 [5-7]. Это обеспечивает формирование ионно-легированного приповерхностного слоя материала с измененным элементным составом на глубинах, не превышающих несколько долей микрометра. Эффект дальнодействия способствует модификации дефектной структуры металлов и сплавов на глубинах, многократно превышающих проективный пробег ионов [8]. Однако изменение дефектной структуры материалов даже на глубинах до нескольких десятков микрометров слабо влияет на изменение макроскопических эксплуатационных свойств изделий различного назначения. В случае ионной имплантации в материалы с высокой исходной плотностью дислокаций этот эффект практически не оказывает заметного влияния на изменение как микроструктуры, так и свойств материалов. Для решения основной проблемы ионной имплантации, связанной с малой толщиной легированного ионами слоя, в зависимости от технологических задач развивалось несколько подходов. Применительно к задачам формирования глубоко легированных слоев в полупроводниковых материалах разрабатывались методы имплантации ионов с высокой (несколько мегаэлектронвольт) и сверхвысокой (несколько сотен мегаэлектронвольт) энергией ионов [9]. Для модификации свойств и структуры металлов и сплавов ионной имплантацией аналогичный подход оказался экономически нецелесообразен. Низкая стоимость изделий требовала малозатратной технологии, а очень слабая чувствительность металлов к наличию примесей предопределила необходимость увеличения флюенса ионного облучения на несколько порядков по сравнению с полупроводниковыми материалами. Увеличение энергии ионов до десятков и сотен мегаэлектронвольт привело бы к необходимости увеличения флюенсов облучения конструкционных материалов до запредельных значений, а стоимость ионной обработки многократно превышала бы стоимость самих изделий. В случае металлов, сплавов и других конструкционных материалов более перспективный подход с точки зрения создания глубоких ионно-легированных слоев основан на увеличении глубины проникновения атомов за счет их радиационно-стимулированной диффузии в твердом теле. Развиваемые методы получили название «сильноточной» [10] и «высокоинтенсивной» [11] имплантации ионов. Важное отличие таких методов имплантации заключается в нагреве имплантируемой поверхности до температуры, ускоряющей диффузионное перемещение атомов имплантированной примеси. Это приводит к увеличению толщины модифицированного слоя на порядок и более. При такой имплантации важная роль принадлежит процессам, связанным с нестабильностью поверхности, с радиационно-усиленной диффузией имплантируемых элементов [12], с наличием термоупругих [13] и внутренних напряжений [14]. Исследование процессов модификации микроструктуры и свойств различных материалов при сильноточной и высокоинтенсивной имплантации ионов металлов низкой энергии сдерживалось отсутствием ионных источников, реализующих такие режимы облучения. Разработка метода формирования и различных типов импульсно-периодических источников высокоинтенсивных пучков ионов металлов [15, 16], газов [17, 18] и полупроводников [19] с импульсной плотностью тока в диапазоне от десятков до нескольких сотен миллиампер на квадратный сантиметр способствовала развитию источников, способных реализовать режимы высокоинтенсивной имплантации ионов с плотностью тока, достигающей несколько сотен мА/см2, при ускоряющих напряжениях, не превышающих несколько киловольт [20-24]. Первые исследования по высокоинтенсивной имплантации ионов азота, алюминия и титана продемонстрировали возможность формирования ионно-легированных слоев на глубинах до нескольких сотен микрометров. Одновременно определился ряд проблем, требующих своего решения для дальнейшего развития метода. В настоящей работе анализируются некоторые специфические особенности метода и исследуются возможные пути решения возникающих проблем. Особенности определения температурных режимов мишени при высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии Импульсно-периодическое плазменно-иммерсионное формирование пучков ионов в сочетании с баллистической фокусировкой для достижения высоких плотностей ионного тока при относительно низких ускоряющих напряжениях обладает рядом специфических особенностей, создающих проблемы как для точного измерения параметров самого ионного пучка, так и для точного определения, например, температурных полей в мишени, существенно влияющих на процессы массопереноса, изменение микроструктуры и свойств ионно-модифицированных слоев различных материалов. К основным факторам, влияющим на точность измерения параметров ионного пучка и температурных режимов облучения, следует отнести нестабильность ионного тока насыщения из плазмы вакуумного дугового разряда, наличие сеточного экстрактора ионов, импульсно-периоди¬ческий динамический характер формирования слоя разделения заряда, нестационарность процессов нейтрализации пространственного заряда фокусируемого пучка из-за нестабильности предварительно инжектируемой в пространство дрейфа плазмы. На определение температурных режимов облучения различными методами при высокоинтенсивной имплантации существенное влияние оказывают как динамический характер нагрева со значительными градиентами температур по поверхности и глубине облучаемой мишени, так и распыление поверхности на глубины в десятки и сотни микрометров, изменяющие ее морфологию. Численным моделированием и экспериментально проведен комплекс исследований для разработки оптимальной методики и определения реальных температур поверхности и приповерхностных слоев различных исследуемых материалов в зависимости от режимов ионного облучения, параметров пучка ионов, характеристик держателя образцов и методов измерения. Для изучения эволюции температуры металлического образца под действием высокоинтенсивного импульсно-периодического ионного пучка была применена ранее разработанная модель численного расчета с использованием уравнения теплопроводности, записанного в цилиндрических координатах. Рис. 1. Распределение температуры Т по глубине (Z) облучаемой композиции вдоль оси r = 0, tобл = 60 мин, T0: кр. 1 - 723 К; кр. 2 - 773 К; кр. 3 - 923 К Сравнение результатов расчетов и различных измерений проводилось для случая облучения образца из стали 40Х радиусом 10 мм и толщиной 4 мм, установленного в центре пластины-держателя из нержавеющей стали 12Х18Н10Т радиусом 30 мм и толщиной 3 мм. Эксперимент проводился при измеренной с помощью плоского коллектора плотности ионного тока 2100 A/м2. Численным моделированием исследовались режимы облучения с импульсной плотностью ионного тока от 1250 до 2100 A/м2 при длительности импульсов потенциала смещения 4 мкс и частоте 105 имп./с. Рассматривался случай имплантации ионов азота с энергией 1.2 кэВ в трех температурных режимах облучения мишеней: 723, 773 и 923 К. Температуры выбирались на основе измерений с помощью изолированной термопары, установленной на обратной стороне мишени. На рис. 1 представлены результаты численного моделирования распределения температуры по глубине облучаемой композиции для трех разных температурных режимов. Наименьший градиент температуры по глубине мишени имеет место при облучении пучком ионов с плотностью 1250 A/м2. Он составляет около 30 К. При увеличении плотности ионного тока до 1600 и 2100 A/м2 градиент температуры по глубине мишени возрастает до 35 и 60 К соответственно. Существенный градиент температуры имеет место по поверхности мишени. Этот градиент обусловлен, прежде всего, неоднородным распределением ионного тока по сечению пучка. На рис. 2 представлено распределение температуры вдоль облучаемой и обратной поверхностей образца в установившемся режиме облучения. Из данных рис. 2 видно, что наибольший градиент температуры по поверхности образца из стали 40Х имеет место при наибольшей температуре облучения 923 К. Он составляет около 90 К (кривая 6 рис. 2). Немного меньший градиент температуры имеет место на обратной стороне мишени. При меньших температурах ионного облучения должны снижаться и градиенты как на облучаемой поверхности (кривые 4 и 2 рис. 2), так и на обратной стороне образца. Если измерение температуры образца осуществлять на обратной стороне держателя образцов из нержавеющей стали то, как следует из данных рис. 3, градиент температуры по радиусу мишени, как и по глубине композиции, возрастет. Рис. 2. Распределение температуры вдоль поверхности образца (r = 0 - центр поперечного сечения образца): кр. 2, 4, 6 - облучаемая поверхность образца; кр. 1, 3, 5 - обратная поверхность образца, tобл = 60 мин, T0: кр. 1, 2 - 723 К; кр. 3, 4 - 773 К; кр. 5, 6 - 923 К Рис. 3. Распределение температуры вдоль обратной поверхности держателя (r = 0 - центр поперечного сечения держателя из нержавеющей стали, tобл = 60 мин, T0: кр. 1 - 723 К; кр. 2 - 773 К; кр. 3 - 923 К Характерно, что при значительном увеличении плотности ионного тока режим высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии сопровождается увеличением градиентов температуры по глубине и по поверхности до нескольких сотен градусов. Рис. 4. Изменение ширины ионно-легирован¬ного слоя l от времени: кр. 1 - T = 723 К; кр. 2 - 773 К; кр. 3 - 853 К; кр. 4 - 923 К Достоверное определение температурных режимов облучения и температурных полей в облучаемой мишени важно для формирования ионно-легированных слоев с заданными свойствами. На рис. 4 с использованием численной модели представлены результаты моделирования зависимости ширины ионно-легированного слоя l от времени облучения мишени при плотности тока ионов азота 2100 A/м2 в разных температурных режимах. Эти данные убедительно демонстрируют существенное влияние температуры на ширину формируемого слоя, а значит и на его макроскопические свойства. Учитывая, что облучаемая мишень при плазменно-иммерсионном формировании ионного пучка находится под высоковольтным потенциалом смещения, измерение температуры на обратной стороне мишени выполняли с помощью изолированной термопары хромель - алюмель. Для более точного измерения температуры и ее градиентов на поверхности образца применялся импульсный высокотемпературный пирометр KLEIBER 740-LO. Результаты численного моделирования и экспериментальных измерений с помощью термопары и пирометра в центре мишени в динамическом режиме нагрева представлены на рис. 5. Рис. 5. Результаты численного моделирования (кр. 3 - ji = 1650 A/м2; кр. 4 - ji = = 2100 A/м2) и экспериментальных измерений при плотности ионного тока ji = = 2100 A/м2 с использованием термопары (кр. 1) и пирометра (кр. 2) в центре мишени при динамическом режиме нагрева Выяснилось, что термопара дает несколько заниженное значение при динамическом изменении температуры, в том числе обусловленное ее электрической, а значит и некоторой термоизоляцией. В стационарном режиме при времени облучения более 1000 с наблюдается хорошее согласие результатов численного расчета и термопары. Данные пирометра показывают несколько меньшую температуру, что может быть связано с изменяющимся во времени коэффициентом отражения поверхности мишени из-за изменения ее морфологии в результате значительного ионного распыления. Данные пирометра показывают более высокую температуру в начале динамического нагрева образца. Очевидно, это связано с тем, что пирометр измеряет температуру непосредственно облучаемой поверхности, а термопара измеряет температуру с обратной стороны мишени. При динамическом нагреве мишени из-за конечной ее теплопроводности возникает градиент между температурой на поверхности и на обратной стороне мишени. Расчетные кривые динамики изменения температуры поверхности в центре мишени представлены на рис. 5 для двух плотностей ионного тока: 1650 А/м2 - кривая 3, 2100 А/м2 - кривая 4. Видно, что при времени облучения более 30 мин достигается стабилизация температурного режима образца и показания термопары, пирометра и расчетные данные для плотности тока 1650 А/м2 примерно совпадают. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что при высокоинтенсивной ионной имплантации регистрируется завышенное значение плотности ионного тока. Экспериментально измеренная плотность тока 2100 A/м2 примерно на 20 % превышает расчетную. Это, по-видимому, связано со вторичной ионно-электронной эмиссией с поверхности мишени в процессе ионной имплантации. Таким образом, сопоставление экспериментальных данных, полученных разными методами, и результатов численного моделирования позволяет выявить характерные для высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии особенности и погрешности измерения как параметров ионного пучка, так и температурного режима облучения мишени. Исследование вклада ударно-волнового механизма в массоперенос имплантируемой примеси при высокоинтенсивном ионном облучении Для проведения исследований вклада ударно-волнового механизма, предсказанного на основе численного расчета в работе [25] были выбраны два режима импульсно-периодического облучения образцов из нержавеющей стали и стали 40Х со следующими параметрами ионного пучка: плотностью тока ионов азота 9500 А/см2, амплитудой потенциала смещения 3000 В. Применялись две длительности импульсов 6 и 300 мкс. Частота импульсов смещения варьировалась в процессе экспериментов таким образом, чтобы температура мишени не превышала 423 К. Низкие частоты импульсов смещения исключили возможность проведения экспериментов с использованием непрерывной плазмы вакуумной дуги и ионов металлов. При малых частотах потенциала смещения скорость осаждения покрытия из непрерывной плазмы вакуумного дугового разряда превалировала над ионным распылением поверхности мишени. Облучение ионами азота во всех вариантах осуществлялось до набора флюенса облучения 1020 ион/см2 за время около 8 ч. Элементный анализ имплантированных образцов не выявил значимого количества азота ни в нержавеющей стали, ни в стали 40Х. Таким образом, проведенные эксперименты показали, что при данных параметрах импульсно-периодического ионного пучка ударно-волновой механизм не оказывает значимого влияния на глубокое проникновение легирующей примеси. Аномально глубокое проникновение примеси в глубь материала при высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии обусловлено радиационно-стимулированной диффузией при высоких плотностях ионного тока и температурах приповерхностного слоя облучаемой мишени. Исследование закономерностей накопления имплантируемой примеси при горячей высокоинтенсивной имплантации ионов Исследование закономерностей накопления и пространственного распределения имплантируемой примеси в нержавеющей стали, стали 40Х, титане и алюминии при высоких температурах, вплоть до режимов, определяющих формирование поверхностного жидкофазного слоя, проводилось как с использованием пучков ионов азота, так и ионов металлов (алюминия и титана). Исследование закономерностей высокоинтенсивной имплантации ионов азота в сталь 40Х и нержавеющую сталь при высоких температурах выявило следующие особенности. Эффективное накопление имплантируемых атомов азота и формирование протяженного ионно-легированного слоя происходит при средних температурах в диапазоне 673-973 К. С увеличением температуры до 1023 К и выше наблюдается достаточно быстрое уменьшение как концентрации азота, так и глубины его проникновения в облучаемый материал. При температурах облучения в диапазоне 1073-1473 К азот не обнаруживался в имплантированных мишенях. По-видимому, это определяется устойчивостью нитридных фаз железа и хрома при средних и высоких температурах. Рост температуры мишени сопровождается постепенным увеличением глубины формируемого кратера ионного распыления. При температурах, близких к температурам плавления, становится существенным испарение материала и наблюдается многократное увеличение глубины кратера. Формирование глубоко легированных слоев при высокоинтенсивной имплантации ионов металлов в сравнении с имплантацией ионов азота требует более высоких температур. Это обусловлено, в большинстве случаев, большими размерами атомов металлов и их влиянием на коэффициент диффузии. Исследование имплантации ионов алюминия в титан при различных температурах мишени показало следующее. Значимая диффузия алюминия в титан начинается при температурах более 773 К. Повышение температуры до 973 К сопровождается увеличением глубины диффузии атомов до  40 мкм. Однако при дальнейшем увеличении температуры до 1373 К наблюдается уменьшение ширины ионно-легированного слоя примерно до 7 мкм. Исследование профилей ионно-распыленного слоя позволило получить ответ на причину уменьшения слоя. Оказалось, что при увеличении температуры мишени от 773 до 973 К экспериментально измеренная глубина ионно-распыленного слоя при том же флюенсе ионного облучения возрастает примерно со 100 до 150 мкм. Увеличение температуры титановой мишени до 1373 К сопровождалось непропорциональным распылением слоя толщиной более 400 мкм. Дальнейшее увеличение температуры мишени до 1573 К привело к полному отсутствию алюминия в имплантированном титане. Исследования закономерности накопления и пространственного распределения имплантируемой примеси, а также изменения фазового состава облученной мишени в режимах «горячей» (при температурах ~ 873-1273 К) и «сверхгорячей» (при температурах, близких к температуре плавления) ионной имплантации проводились и на примере систем матрица - имплантируемая примесь Zr-Cr. Поскольку температура в режиме сверхгорячей имплантации могла достигать температуры плавления мишени с образованием жидкофазного поверхностного слоя, система формирования высокоинтенсивных пучков ионов и источник непрерывной вакуумно-дуговой плазмы были переориентированы вертикально. Температура мишени контролировалась с тыльной стороны при использовании изолированной термопары и с поверхности с помощью высокоскоростного пирометра Kleiber 740-LO. Результаты экспериментальных исследований показали возможность формирования протяженных ионно-легированных слоев с измененным относительно исходного материала мишени фазовым составом (в том числе с формированием интерметаллидных фаз и твердых растворов) в режиме горячей ионной имплантации. В случае системы Zr-Cr при температурах в диапазоне от 1073 до 1173 К элементный анализ поперечного шлифа, выполненный методом энергодисперсионной спектроскопии, показал наличие глубоко легированного слоя со сложной структурой. Так, при температуре обработки 1173 К, флюенсе ионного облучения до 1021 ион/см2 и энергии ионов ~ 3 кэВ на глубинах до 2-5 мкм выделяется область повышенного содержания хрома с концентрацией до 30-50 ат. %. Дальнейшее увеличение глубины анализа демонстрирует постепенное уменьшение концентрации до 1-2 ат. % на глубине, достигающей нескольких десятков микрометров, при этом форма профиля элементного распределения имеет выраженный диффузионный характер. В то же время рентгеноструктурный анализ свидетельствует о формировании в поверхностных слоях интерметаллидной фазы Лавеса кубического типа ZrCr2 (рис. 6). При этом содержание фазы увеличивается от 1-2 до 22.3 об. % при увеличении температуры в диапазоне от 1073 до 1173 К. Анализ морфологии мишени указал на неоднородное распределение фаз Лавеса по поверхности, а также их специфическую дендритную структуру. При этом поверхностная плотность таких конгломератов возрастает по мере увеличения температуры, что находится в согласии с данными рентгеноструктурного анализа об увеличении объемного содержания интерметаллидной фазы (рис. 6). Рис. 6. Данные рентгеноструктурного анализа имплантированного сплава Zr-1Nb при различных температурах Принципиально другая картина наблюдается в режиме сверхгорячей имплантации при температуре до 1884 К. В данном режиме флюенс облучения и средняя энергия ионов в пучке оставались прежними (до 1021 ион/см2 и 3 кэВ), а увеличение температуры примерно до 0.85 Tплав достигалось при использовании высокотемпературной керамики (диоксид циркония) между мишенью и держателем, существенно уменьшавшей теплоотвод. В отличие от режима горячей имплантации, результаты элементного и структурно-фазового анализа не выявили наличия глубоко легированных слоев и ранее наблюдавшихся интерметаллидных фаз в поверхностных и приповерхностных слоях мишени. Существенное увеличение температуры в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов с энергиями ионов на уровне нескольких единиц килоэлектронвольт, для которой характерно значительное ионное распыление поверхности, привело к практически двукратному увеличению скорости ионного распыления по сравнению с температурой обработки 1173 К (от 170 до 320 мкм/ч). Такое увеличение обусловлено ростом коэффициента ионного распыления. Кроме того, результаты исследования поверхности методом сканирующей электронной микроскопии свидетельствуют о многократном росте размеров зерна, от поверхностной рекристаллизации со средним размером зерна ~ 50 мкм (при Т = 1173 К) до объемной рекристаллизации мишени с зеренными конгломератами, достигающими нескольких миллиметров. Очевидно, что в данном диапазоне энергетического воздействия и эффективных коэффициентах ионного распыления реальное практическое применение сверхгорячих режимов высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии не представляется целесообразным. При имплантации титана в циркониевый сплав увеличение плотности ионного тока от 120 до 170 мА/см2 и дозы имплантации от 5.4•1020 до 9.56•1020 ион/cм2 сопровождалось ростом ширины ионно-легированного слоя от 6 до 13 мкм. Увеличение плотности ионного тока сопровождалось ростом температурного режима имплантации и, как результат, значительным увеличением среднего размера зерна от 20 до 350 мкм. Очевидно, что такой рост зерна может негативно сказываться на ряде свойств материала и ограничивать применимость метода высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии. Однако анализ экспериментальных данных выявил принципиально важную особенность данного метода. Микроструктура слоя и основы сплава существенно изменилась после ионной имплантации с плотностью ионного тока 170 мA/cм2 (доза 9.56•1020 ион/cм2). В то же время оказалось, что имплантация при плотности ионного тока 120 мА/см2 и флюенсах 5.4•1020 и 6.75•1020 ион/cм2 не приводит к изменению среднего размера зерна основы Zr-1Nb сплава по сравнению с необработанным сплавом. Это указывает на то, что такая обработка не повлияла на структуру внутреннего слоя. Рис. 7. Профили распределения азота в стали 40Х13 после ионного облучения высокоинтенсивным пучком ионов с энергией 1500, 900 и 400 эВ Наличие такого эффекта стало предпосылкой для принципиально новой возможности решения проблем высокотемпературного изменения размера зерна, морфологии поверхности и микроструктуры модифицированного слоя при высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии. С помощью данного метода благодаря радиационно-стимулированной диффузии формируется широкий ионно-легированный слой при сохранении структуры матричного слоя. Для устранения негативного влияния высокой температуры на рост размера зерна было использовано постимплантационное воздействие на ионно-легированный слой короткоимпульсного сильноточного электронного пучка с высокой плотностью мощности. В результате был реализован быстрый нагрев приповерхностного слоя титана, имплантированного алюминием, до температуры, близкой к температуре плавления, с последующим сверхбыстрым охлаждением за счет отвода тепла внутрь материала благодаря теплопроводности. Такое совмещение двух процессов обеспечило возможность уменьшения размера зерна за счет эффектов сверхзакалки. При этом в глубоко легированном слое толщиной более 10 мкм распределение имплантированного алюминия практически не изменилось. Значительное ионное распыление поверхности предположительно может быть устранено как за счет снижения энергии ионов до уровня, обеспечивающего минимальное распыление поверхности, способствующее только удалению оксидов и карбидов, блокирующих глубокую диффузию внедряемых атомов, так и благодаря компенсации ионного распыления осаждением плазмы или ионно-распыленных атомов. В экспериментах по имплантации ионов азота в сталь 40Х13 была показана принципиальная возможность увеличения толщины ионно-легирован¬ного слоя при подавлении ионного распыления. Облучение образца из стали 40Х13 в течение одного часа при температуре 773 К пучком ионов азота с энергией 1500 эВ приводит к формированию ионно-легированного слоя толщиной около 25 мкм (рис.7). Уменьшение энергии ионов до 900 эВ при той же температуре и сохранении флюенса сопровождается уменьшением максимальной глубины ионного распыления поверхностного слоя с 55 до 25 мкм. При этом толщина слоя увеличивается примерно до 40 мкм. Дальнейшее уменьшение энергии ионов до 400 эВ приводит к почти полному подавлению ионного распыления поверхности. Толщина распыленного слоя в этом случае не превышала 4 мкм. Как следует из данных рис. 7, ширина ионно-легированного слоя возросла почти до 65 мкм. При устранении ионного распыления можно управлять глубиной ионно-легированного слоя не только выбором плотности ионного тока, но и за счет изменения температурного режима и времени ионного облучения. Результаты элементного картирования участка поперечного сечения образца 40Х13, представленные на рис. 8, показывают, что при имплантации азота с энергией ионов 400 эВ глубина ионно-модифицированного слоя возрастает от 38 до 65 мкм при увеличении времени облучения от 30 мин до 1 ч. Менее значимый рост толщины слоя наблюдается при дальнейшем увеличении времени облучения до 2 ч. Увеличение времени облучения в 2 раза сопровождается ростом толщины слоя всего на 23 %. Рис. 8. Карта распределения азота по глубине образцов, модифицированных в течение: а - 30 мин; б - 60 мин; в - 120 мин Заключение Полученные к настоящему времени результаты экспериментальных исследований и численного моделирования закономерностей метода высокоинтенсивной имплантации убедительно доказывают перспективность его потенциального применения в различных областях науки и техники как альтернативного метода технологиям обычной ионной имплантации и ионно-плазменного осаждения покрытий. Радиационно-стимулированная диффузия при плотностях ионного тока в десятки и сотни миллиампер на квадратный сантиметр приводит к тому, что коэффициент диффузии имплантируемой примеси оказывается более чем на порядок выше по сравнению с классической термодиффузией. Радиационно-стимулированная диффузия в сочетании с флюенсами ионного облучения, на два - четыре порядка превышающими флюенсы, используемые при обычной ионной имплантации, обеспечивают за короткие времена облучения (один - два часа) ионное легирование материалов на глубинах в десятки и сотни микрометров. При определении режимов высокоинтенсивной ионной имплантации следует принимать во внимание наличие значительных градиентов температур как по глубине, так и по поверхности облучаемой мишени. Показано, что при плотностях тока до 1 А/см2 и энергиях ионов в единицы кэВ ударно-волновой механизм диффузии примеси не является определяющим в общем массопереносе при высокоинтенсивной имплантации ионов.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Рябчиков Александр ИльичНациональный исследовательский Томский политехнический университетд.ф.-м.н., профессор, зав. НЛ ВИИ НИ ТПУralex@tpu.ru
Иванова Анна ИвановнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетк.ф.-м.н., мл. науч. сотр. НЛ ВИИ НИ ТПУbai@tpu.ru
Корнева Ольга СергеевнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетинженер НЛ ВИИ НИ ТПУoskar@tpu.ru
Сивин Денис ОлеговичНациональный исследовательский Томский политехнический университетк.ф.-м.н., ст. науч. сотр. НЛ ВИИ НИ ТПУsivin@tpu.ru
Всего: 4

Ссылки

Poate J.M., Foti G., and Jacobson D.C. Surface Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron Beam. - Berlin: Springer, 2013.
Williams J.S. and Poate J.M. Ion Implantation and Beam Processing. - Orlando: Academic, 1984.
Sharkeev Yu.P., Girsova N.V., Ryabchikov A.I, et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. - 1995. - V. 106. - P. 532.
Ryabchikov A., Sivin D., Ananin P., et al. // Surf. Coat. Technol. - 2018. - V. 355. - P. 129-135.
Anders A. // Surf. Coat. Technol. - 1997. - V. 93. - P. 157-167.
Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 187 с.
Пранявичюс Л., Дудонис Ю. Модификация свойств твердых тел ионными пучками. - Вильнюс: Мокслас, 1980. - 342 с.
Didenko A.N., Kozlov E.V., Sharkeev Yu.P., et al. // Surf. Coat. Technol. - 1993. - V. 56. - No. 2. - P. 97-104.
Комаров Ф.Ф., Ювченко В.Н. // ЖТФ. - 2003. - Т. 73. - Вып. 6. - С. 56-60.
Wilbur P.J., Davis J.A., Wei R., et al. // Surf. Coat. Technol. - 1996. - V. 83. - P. 250-256.
Kozlov E.V., Ryabchikov A.I., Sharkeev Yu.P., et al. // Surf. Coat. Technol. - 2002. - V. 158-159. - P. 343-348.
Moncoffre N. and Jagielski J. // Surf. Coat. Technol. - 1994. - V. 65. - P. 30-36.
Uglov V.V., Khodasevich V.V., Rusalsky D.P., and Kasko I.V. // Surface Modification of Metals by Ion Beams: Book of Abstracts of Int. Conf., San-Sebastian, 4-8 Sept. 1985. - San-Sebastian, 1995. - P. 99.
Белый А.В., Малышев В.Ф., Ших С.К. // Трение и износ. - 1988. - Т. 9. - № 4. - С. 665-670.
Ryabchikov A.I., Ananin P.S., Dektyarev S.V., et al. // Vacuum. - 2017. - V. 143. - P. 447- 453.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Shevelev A.E., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2020. - V. 91 (1). - P. 013301.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. - 2018. - V. 906. - P. 56-60.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., et al. // Vacuum. - 2019. - V. 165. - P. 127-133.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Dektyarev S.V., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. -2020. - V. 953. - P. 163092.
Ryabchikov A.I. // Surf. Coat. Technol. - 2020. - V. 388. - P. 125561.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., et al. // Surf. Coat. Technol. - 2020. - V. 388. - P. 125557.
Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2018. - V. 1115 (3). - P. 032053.
Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Ананьин П.С. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 2. - С. 60-66.
Ryabchikov A.I. and Shevelev A.E., Sivin D.O., et al. // J. Alloys Compounds. - 2019. - V. 793 (2). - P. 604-612.
Анищик В.М., Углов В.В. Модификация инструментальных материалов ионными и плазменными пучками. - Минск: БГУ, 2003. - 191 с.
 Особенности высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/157

Особенности высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/157