Радиационные технологии модификации поверхности. I. Ионная

ÓÄÊ 539.23
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.
I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî*, È.Ì. Íåêëþäîâ
Íàöèîíàëüíûé íàó÷íûé öåíòð “Õàðüêîâñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò”
*
Íàó÷íûé ôèçèêî-òåõíîëîãè÷åñêèé öåíòð ÌÎÍ è ÍÀÍ Óêðàèíû, (Õàðüêîâ)
(Óêðàèíà)
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.02.2003
 ðàáîòå ðàññìîòðåíû ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ èîííîãî è èîííî-ïëàçìåííîãî îáëó÷åíèÿ íà ìîäèôèêàöèþ
ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ìàòåðèàëîâ. Íà ïðèìåðå îðèãèíàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ïðîâîäèìûõ â ÍÍÖ ÕÔÒÈ è ÍÔÒÖ,
ïîêàçàíà ðîëü èîííîé áîìáàðäèðîâêè â òàêèõ ïðîöåññàõ êàê èîííàÿ î÷èñòêà, èîííîå àçîòèðîâàíèå, âûñîêîäîçîâàÿ
èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ. Ïðåäñòàâëåíû äàííûå ïî ýôôåêòó ãëóáèííîãî óïðî÷íåíèÿ è àíîìàëüíî ãëóáîêîãî èîííîãî
ïðîíèêíîâåíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîâåðõíîñòíîãî óïðî÷íåíèÿ è óâåëè÷åíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè ïðè
èîííîé èìïëàíòàöèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ èîííîãî îáëó÷åíèÿ ìîæíî ñóùåñòâåííî ïîâûøàòü èçíîñîñòîéêîñòü
è ñðîê ñëóæáû èçäåëèé.
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Òåõíîëîãèè ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì èîííûõ è èîííî-ïëàçìåííûõ ïîòîêîâ íàõîäÿò
âñå áîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ
ïðîìûøëåííîñòè. Âìåñòå ñ òðàäèöèîííûì èñïîëüçîâàíèåì èîííîãî ëåãèðîâàíèÿ è òðàâëåíèÿ â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ïðîìûøëåííîñòè, èîííûå òåõíîëîãèè
èíòåíñèâíî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ çàùèòíûõ è
ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ èçäåëèé.
Èñïîëüçîâàíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ äëÿ ïðèäàíèÿ
îïðåäåëåííûõ ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè èìååò ðÿä îñîáåííîñòåé ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííûìè ñïîñîáàìè
ïîëó÷åíèÿ çàùèòíûõ ïîêðûòèé ïóòåì òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè â ãàçîâîé ñðåäå èëè ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ. Îñíîâíûì îòëè÷èåì òàêîé îáðàáîòêè ÿâëÿåòñÿ
ïðèñóòñòâèå â òåõíîëîãè÷åñêîì ïðîöåññå èîíîâ ñ ýíåðãèåé, èçìåíÿåìîé, â çàâèñèìîñòè îò èñïîëüçóåìîé ìåòîäèêè, â äèàïàçîíå îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ý äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ êýÂ.
Êàê ïðàâèëî, îáëó÷åíèå ìàòåðèàëîâ àññîöèèðóåòñÿ
ñ ïðîöåññàìè äåãðàäàöèè èñõîäíûõ ñâîéñòâ èçäåëèé â
óñëîâèÿõ ðåàêòîðíîãî è êîñìè÷åñêîãî îáëó÷åíèÿ. Õîðîøî èçâåñòíû òàêèå íåãàòèâíûå ïîñëåäñòâèÿ îáëó÷åíèÿ êàê ðàäèàöèîííîå ðàñïóõàíèå, ïîëçó÷åñòü,
õðóïêîñòü è äð.  òî æå âðåìÿ ïðèìåíåíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ ïðèíîñèò ïîëîæèòåëüíûå ðåçóëüòàòû ïðè ïîâåðõíîñòíîé ìîäèôèêàöèè. Ñ ïîìîùüþ ðàäèàöèîííîé
îáðàáîòêè ïîâûøàþò àäãåçèþ çàùèòíûõ ïîêðûòèé,
óâåëè÷èâàþò ïëîòíîñòü êîíäåíñàòîâ. Èñïîëüçîâàíèå
èîíîâ ïîçâîëÿåò óëó÷øèòü ïðî÷íîñòíûå è òðèáîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ, ïîâûñèòü èõ
êîððîçèîííóþ ñòîéêîñòü.
Äëÿ ïîíèìàíèÿ ñòîëü ðàçëè÷íîãî ýôôåêòà âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ íåîáõîäèìî
îáðàòèòñÿ ê ôèçè÷åñêîé êàðòèíå âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ íà òâåðäîå òåëî. Ðàññìîòðèì ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû
è ÿâëåíèÿ, ïðîòåêàþùèå ïðè èîííîé îáðàáîòêå ïîâåðõíîñòè.
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÕ
ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ
ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ
Íà ðèñ. 1 ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåíû ïåðâè÷íûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïðè àññèñòèðîâàíîì èîííîì îñàæäåíèè [1].
Òàê êàê ïðè èîííîé îáðàáîòêå âñå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò âáëèçè ïîâåðõíîñòè, ýòî âíîñèò ñâîþ ñïåöèôèêó
â ïðîöåññû ïåðâè÷íîãî äåôåêòîîáðàçîâàíèÿ. Ïðè ðåàêòîðíîì ïîâðåæäåíèè íåéòðîí, ñòàëêèâàÿñü ñ ÿäðîì
àòîìà ìèøåíè, ïåðåäàåò åìó íåêîòîðóþ êèíåòè÷åñêóþ
ýíåðãèþ. Ïîñëå ÷åãî ðàçâèâàåòñÿ òàê íàçûâàåìûé êàñêàä àòîì àòîìíûõ ñòîëêíîâåíèé.  ðåçóëüòàòå ÷åãî îáðàçóåòñÿ çîíà, îáîãàùåííàÿ âàêàíñèÿìè, è ïåðåôåðèé40
íàÿ çîíà, îáîãàùåííàÿ ìåæäîóçåëüíûìè àòîìàìè. Íàëè÷èå ïîâåðõíîñòè ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ÷àñòü àòîìîâ
ïîâåðõíîñòè âûáèâàåòñÿ èëè ðàñïûëÿåòñÿ, òàêèì îáðàçîì ñòðàâëèâàÿ ïîâåðõíîñòü. Åñëè íà ïîâåðõíîñòè
íàõîäÿòñÿ àòîìû íåñêîëüêèõ ñîðòîâ, ýôôåêòèâíîñòü èõ
ðàñïûëåíèÿ ðàçëè÷íà èç-çà ðàçëè÷èÿ â ìàññàõ è
õàðàêòåðà àòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Âñëåäñòâèå ýòîãî
ïðîèñõîäèò ïðåèìóùåñòâåííîå ðàñïûëåíèå àòîìîâ
íåêîòîðîãî ñîðòà. Ïðîöåññû ðàçâèòèÿ êàñêàäîâ ñòîëêíîâåíèé ïðèâîäÿò ê âûáèâàíèþ ìîëåêóë ñîðáèðîâàííûõ
ãàçîâ ñ ïîâåðõíîñòè. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò î÷èñòêà
ïîâåðõíîñòè êàê îò ñîðáèðîâàííûõ àòîìíûõ ñëîåâ, òàê
è îò îêèñíîé ïëåíêè è äðóãèõ çàãðÿçíåíèé.
Ïðè îáëó÷åíèè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ èîíàìè,
îòëè÷íûìè îò èîíîâ òâåðäîãî òåëà, ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ïðèïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ.
Îáëó÷åíèå èîíàìè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ãàçîâ âûçûâàåò äèññîöèàöèþ ìîëåêóë ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ
àòîìàìè ìèøåíè è èõ âíåäðåíèå â òâåðäîå òåëî â
õèìè÷åñêè àêòèâíîì ñîñòîÿíèè. Ýòî ìîæåò ïðèâîäèòü
ê óñêîðåíèþ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé íà íåñêîëüêî
ïîðÿäêîâ, ïî ñðàâíåíèþ ñ òåðìè÷åñêè àêòèâèðóåìûìè
ïðîöåññàìè. Äàííîå ÿâëåíèå, â ÷àñòíîñòè, ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè.
 òàáë. 1 ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíû îñíîâíûå
ïðîöåññû è ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå ïðè
ðàäèàöèîííîé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè, êîòîðûå
âëèÿþò íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ. Óñëîâíî ïðîöåññû
ìîæíî ðàçáèòü íà äâå ãðóïïû: ïåðâè÷íûå ïðîöåññû è
ïðîöåññû ðåëàêñàöèè. Ýòè äâå ãðóïïû ïðîöåññîâ
ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ ïî õàðàêòåðíûì âðåìåíàì
ïðîòåêàíèÿ. Ê ïåðâè÷íûì ïðîöåññàì îòíîñÿòñÿ ïðîöåññû ïåðâè÷íîé ðàäèàöèîííîé ïîâðåæäàåìîñòè, ðàñïûëåíèÿ è ïð. Õàðàêòåðíûå âðåìåíà ýòèõ ïðîöåññî⠖
10–13 – 10–11 ñ. Ïðîöåññû ðåëàêñàöèè çàíèìàþò çíà÷èòåëüíî áîëüøèé ïðîìåæóòîê âðåìåíè. Ýòî ïðîöåññû ïîâåðõíîñòíîé è îáúåìíîé ðàäèàöèîííî-óñêîðåííîé
äèôôóçèè, çàðîæäåíèÿ è ðîñòà íîâûõ ôàç, áëîêîâ è çåðåí è ò.ä.
Îñòàíîâèìñÿ áîëåå ïîäðîáíî íà ïðîöåññå ñîçäàíèÿ
ðàäèàöèîííûõ äåôåêòîâ ïàäàþùèì èîíîì. Èîí ñ ìàññîé M1 è íà÷àëüíîé ýíåðãèåé E1, âëåòàþùèé â òâåðäîå
òåëî, òåðÿåò ýíåðãèþ â ðåçóëüòàòå äâóõ îñíîâíûõ ïðîöåññîâ: óïðóãîãî ñòîëêíîâåíèÿ ñ àòîìàìè ìèøåíè è
íåóïðóãîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ýëåêòðîíàìè. Âçàèìîäåéñòâóÿ ñ àòîìîì ìèøåíè ñ ìàññîé M2, èîí ïåðåäàåò
åìó êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ E2 (E2 < αE1 , ãäå α = 4M1M2/
(M1+ M2)2). Ïàäàþùèé èîí â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ
ìîæåò îòðàçèòüñÿ îò ïîâåðõíîñòè èëè ñ èçìåíåííîé
êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé E1 è óãëîì ïàäåíèÿ θ âíåäðèòüñÿ
âãëóáü ìàòåðèàëà, âçàèìîäåéñòâóÿ äàëåå ñ äðóãèìè
àòîìàìè ïëåíêè. Àòîìû ìèøåíè â ïðîöåññå ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñìåùàþòñÿ ñî ñâîèõ ìåñò. Â
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ
Ðèñ. 1. Ïåðâè÷íûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïðè àññèñòèðîâàíîì èîííîì îñàæäåíèè.
ðåçóëüòàòå îáðàçóþòñÿ ðàñïûëåííûå àòîìû è òî÷å÷íûå
äåôåêòû: âàêàíñèè è ìåæäîóçåëüíûå àòîìû. Çíà÷åíèÿ
ýíåðãèè, ïåðåäàííîé èîíó àòîìó ìèøåíè, çàâèñÿò îò
ïîòåíöèàëà ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ V(r) è
ïàðàìåòðîâ ñòîëêíîâåíèÿ (ïðèöåëüíûé ïàðàìåòð p).
Ïðè ðàñ÷åòàõ ÷àñòî èñïîëüçóþò ïîòåíöèàë ÒîìàñàÔåðìè V ( r ) = (Z1Z 2 e 2 r )Φ (r a ) , ãäå ôóíêöèÿ Ô(r/a) â
àïïðîêñèìàöèè Ìîëüåð ìîæåò áûòü çàïèñàíà â âèäå
Ô(õ) = 0,35å–0,3õ + 0,55å–1,2õ + 0,1å–6õ.  ïðèáëèæåíèè ïàðíîãî ñòîëêíîâåíèÿ ýíåðãèÿ, ïåðåäàííàÿ àòîìó, ìîæåò
áûòü âûðàæåíà â ñëåäóþùåì âèäå [2]:
Å2 = Å1α sin2(θ/2),
∞
ãäå θ = π − 2 p ∫
r0
( (1 − V (r ) E
rel
)
− p 2 r 2 ) r 2 dr , r0 – ðàñ-
ñòîÿíèå ìàêñèìàëüíîãî ñáëèæåíèÿ àòîìîâ, à Erel –
îòíîñèòåëüíàÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ äâèæåíèÿ àòîìîâ.
Ïðè ïåðåäàííîé ýíåðãèè E2, áîëüøå íåêîòîðîé ïîðîãîâîé ýíåðãèè Åd (íàçûâàåìîé ïîðîãîâîé ýíåðãèåé ñìåùåíèÿ) â òâåðäîì òåëå îáðàçóåòñÿ ðàäèàöèîííûé äåôåêò, íàçûâàåìûé ïàðîé Ôðåíêåëÿ: ðàçíåñåííûå â
ïðîñòðàíñòâå âàêàíñèÿ è ìåæäîóçåëüíûé àòîì. Ýòè
Òàáëèöà 1
Îñíîâíûå ïðîöåññû è ÿâëåíèÿ ðàäèàöèîííîé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè
Ïð î ö å ñ ñ û
Ðàñï û ëåí è å
Èì ï ë à í ò à ö è ÿ è î í î â
Î á ð à çî â à í è å ð à ä è à ö è î í í û õ ä å ôå êò î â : ð à ä è à ö è î í í û õ â à êà í ñ è é è ì å æ ä îóçå ë üí û õ à ò î ì î â
Ð à ä è à ö è î í í î - óñ êî ð å í í à ÿ ä è ôôóçè ÿ ä å ôå êò î â ê ï î â å ð õí î ñ ò è è ñ ò î êà ì â î á úå ì å
Ð à çð óøå í è å çà ð î ä û øå é ôà ç í à ï î â å ð õí î ñ ò è á à ë ë è ñ ò è ÷ å ñ êè ì ì å ò î ä î ì
Óñ êî ð å í è å ï î â å ð õí î ñ ò í î é ä è ôôóçè è
Ñ î çä à í è å êî ì ï ë å êñ î â ð à ä è à ö è î í í û õ ä å ôå êò î â ñ ï ð è ì å ñ ÿì è
Èî í í î - è í ä óö è ð î â à í í à ÿ à êò è â à ö è ÿ õè ì è ÷ å ñ êè õ ð å à êö è é
Ç à ð î æ ä å í è å è ð î ñ ò í î â û õ ôà ç
Ñ î çä à í è å ä è ñ ë î êà ö è î í í û õ ñ ò î ï î ð î â
Ð î ñ ò çå ð å í è á ë î êî â è ç î ñ à æ ä à å ì î ãî ì à ò å ð è à ë à
Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
ß â ëåí è ÿ
Èî í í à ÿ ÷ è ñ ò êà
Èî í í î å ï å ð å ì å øè â à í è å
Èî í í î å óï ë î ò í å í è å
Èî í í î å ò ð à â ë å í è å
Ñ î çä à í è å ð à ä è à ö è î í í î - è í ä óö è ð î â à í í û õ ôà ç
Èî í í î - ñ ò è ì óë è ð î â à í í à ÿ ñ å ãð å ãà ö è ÿ
Âî çí è êí î â å í è å í à í î ñ ò ð óêò óð
Èî í í î å óï ð î ÷ í å í í è å
Ì à ãí è ò í î å óï î ð ÿä î ÷ å í è å
Èçì å í å í è å ý ë å êò ð î í í î ãî ñ î ñ ò î ÿí è ÿ
ï î â å ð õí î ñ ò è
Ñâîéñòâà
Òâåðäîñòü, ïëàñòè÷íîñòü
Êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü
Ýëåêòðîôèçè÷åñêèå è ìàãíèòíûå
ñâîéñòâà
Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü
Ðàáîòà âûõîäà
Òðèáîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà
41
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
òî÷å÷íûå äåôåêòû, èõ ðàñïðåäåëåíèå è äàëüíåéøèé
îòæèã íåïîñðåäñòâåííî âëèÿþò íà õàðàêòåðèñòèêè
îñàæäàåìîé ïëåíêè. Â äåéñòâèòåëüíîñòè õàðàêòåð ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â òâåðäîì òåëå èìååò áîëåå
ñëîæíûé, ÷åì îïèñàíî âûøå, õàðàêòåð.  ñëó÷àå ìåòàëëîâ ýíåðãèþ êðèñòàëëà ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê [3]:
1


E = ∑  F (ρi ) + ∑ ϕ Rij  ,
i 
2 j ≠i

ãäå ρi – ýëåêòðîííàÿ ïëîòíîñòü, F (ρi ) – ôóíêöèÿ âíåäðåíèÿ, à ϕ( Rij ) -ïîòåíöèàë ïàðíîãî ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Êàê âèäíî, âçàèìîäåéñòâèå àòîìîâ íîñèò
ñëîæíûé íåïàðíûé õàðàêòåð, çàâèñÿùèé îò âèäà ôóíêöèè F (ρi ) . Ïðè îïðåäåëåíèè ýíåðãèè äåôåêòîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü äàëüíîäåéñòâóþùèé õàðàêòåð ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, çàòðàãèâàþùèé àòîì äàëåå
ïÿòîé êîîðäèíàöèîííîé ñôåðû. Íàëè÷èå êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû òàê æå âíîñèò ñâîþ ñïåöèôèêó â ïðîöåññû äåôåêòîîáðàçîâàíèÿ. Íà ðèñ. 2 äëÿ ïðèìåðà
ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ òðàåêòîðèè àòîìîâ
êðèñòàòàëëèòà ïðè âçàèìîäåéñòâèè èîíà íèêåëÿ ñ
ýíåðãèåé 200 ýÂ ñ ïîâåðõíîñòüþ (100) Ni. Õîðîøî âèäíî
âîçíèêíîâåíèå öåïî÷åê êîððåëèðîâàííûõ ñîóäàðåíèé
âäîëü íàïðàâëåíèÿ <110>. Èîí, âëåòàÿ â òâåðäîå òåëî,
ñîçäàåò öåïî÷êè àòîìíûõ çàìåùåíèé âäîëü íàïðàâëåíèÿ [0 0 1] è [0 1 1], çàêàí÷èâàþùèåñÿ îáðàçîâàíèåì
ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ, à êðîìå ýòîãî ðàñïûëÿåò 2
àòîìà ñ ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà. Ñîçäàâàåìûå
äåôåêòû íàõîäÿòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå.  ÷àñòíîñòè, ìåæäîóçåëüíûå àòîìû
ðàñïîëàãàþòñÿ îò ïîâåðõíîñòè íà ðàññòîÿíèè 2à è 3à,
ñîîòâåòñòâåííî (à – ïîñòîÿííàÿ ðåøåòêè). Íåñìîòðÿ
íà ìèêðîñêîïè÷åñêè ìàëûå ðàññòîÿíèÿ, èìåííî ýòè
äåôåêòû îïðåäåëÿþò â êîíå÷íîì ñ÷åòå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñâîéñòâà îñàæäàåìûõ ïëåíîê.
Ñîçäàííûå äåôåêòû â äàëüíåéøåì îïðåäåëÿþò ïðîöåññû ðåëàêñàöèè â òâåðäîì òåëå.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå
êèíåòèêó èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèé âàêàíñèé (v) è ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ (i) âáëèçè ïîâåðõíîñòè ìîæíî îïèñàòü ñèñòåìîé äèôôóçèîííûõ óðàâíåíèé â äâèæóùåéñÿ ñèñòåìå êîîðäèíàò [4]:
( )
∂C i
∂
∂
∂
( Di
C i ) − α iv C i C v − G i C i + V
Ci + g i ( x) ,
=
∂t
∂x
∂x
∂x
∂Cv ∂  ∂ 
∂
=  Dv Cv  − αivCiCv − GvCv +V Cv + gv (x) ,
∂x
∂t ∂ x  ∂ x 
ãäå C – êîíöåíòðàöèÿ, αiν – êîíñòàíòà ðåêîìáèíàöèè, gi
è gv – ñêîðîñòü ãåíåðàöèè ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ è
âàêàíñèé ñîîòâåòñòâåííî, G – ïëîòíîñòü ñòîêîâ äëÿ
Ðèñ. 2. Òðàåêòîðèè àòîìîâ êðèñòàëëèòà Ni ïðè âçàèìîäåéñòâèè
ñ èîíîì Ni ñ ýíåðãèåé 200 ýÂ.
42
òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ, D – êîýôôèöèåíò äèôôóçèè, V –
ñêîðîñòü òðàâëåíèÿ èëè ðîñòà ïëåíêè.
Õàðàêòåð è èíòåíñèâíîñòü ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ
çàâèñèò îò ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ. Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíà
âçàèìîñâÿçü âåëè÷èíû ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ è ñîîòâåòñòâóþùèå ýòîé ýíåðãèè ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû.
Íèæíåå çíà÷åíèå øêàëû ñîîòâåòñòâóåò òåðìè÷åñêîé
ýíåðãèè àòîìîâ êðèñòàëëà. Òèïè÷íàÿ ýíåðãèÿ ôèçè÷åñêîé ñîðáöèè ðàâíà 0,1 ýÂ. Ýíåðãèÿ õèìñîðáöèè ñîñòàâëÿåò îêîëî 1 ýÂ. Ýíåðãèÿ àêòèâàöèè äèôôóçèè ñîñòàâëÿåò ýëåêòðîí-âîëüòû. Ýíåðãèÿ õèìè÷åñêîé ñâÿçè
ïîðÿäêà 10 ýÂ. Èîíû, ïàäàþùèå ñ òàêîé ýíåðãèåé, ìîãóò
âëèÿòü íà õèìè÷åñêèå ðåàêöèè íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî
òåëà. Ïðè ýíåðãèè áîëüøå 20 ýÂ ïàäàþùèå èîíû ìîãóò
ñîçäàâàòü òî÷å÷íûå äåôåêòû. Ïðè ýíåðãèè áîëåå 100ýÂ
íà÷èíàþòñÿ ìèíèêàñêàäû è ïðîíèêíîâåíèå èîíîâ â
îáúåì ìàòåðèàëà.
Ðèñ. 3. Ôèçè÷åñêèå ýôôåêòû, íàáëþäàåìûå â ïëåíêàõ, â
çàâèñèìîñòè îò ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ.
Ïðè âàêóóìíîì íàíåñåíèè ïëåíîê ìèêðîñòðóêòóðà
ïëåíîê òàê æå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû ïîäëîæêè è ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ. Äîïîëíèòåëüíîå èîííîå îáëó÷åíèå
ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ çåðåí
è âûäåëåíèé ôàç ïî ðàçìåðàì. Èçìåíåíèå âûçâàíî êàê
áàëëèñòè÷åñêèì ñïîñîáîì çà ñ÷åò ðàçðóøåíèÿ çàðîäûøåé íà ïîâåðõíîñòè, òàê è çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ ïîä îáëó÷åíèåì.
Èíòåíñèâíîå âîçäåéñòâèå íà ïîâåðõíîñòü èìïóëüñíûõ ïó÷êîâ èîíîâ èëè ýëåêòðîíîâ ìîæåò ïðèâîäèòü ê
ðåçêîìó íàãðåâó ïîâåðõíîñòè è äàæå ïîâåðõíîñòíîìó
ïëàâëåíèþ. Ðåçêèå èìïóëüñíûå òåïëîâûå íàãðóçêè ñïîñîáíû âûçûâàòü íàïðÿæåíèÿ, äîñòàòî÷íûå äëÿ ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ìàòåðèàëà íà ìàêðîñêîïè÷åñêèõ
ðàññòîÿíèÿõ.
Îñíîâíûì îòëè÷èåì ïðîöåññîâ èîííîé îáðàáîòêè
îò ïðîöåññîâ ðåàêòîðíîé ïîâðåæäàåìîñòè ÿâëÿåòñÿ èíòåíñèâíîñòü è äëèòåëüíîñòü ïðîòåêàåìûõ ïðîöåññîâ.
Òàê, åñëè â ðåàêòîðå äîçû â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ñìåùåíèé íà àòîì äîñòèãàåòñÿ â òå÷åíèå ëåò, òî ïðè èîííîé
îáðàáîòêå ýòà æå äîçà äîñòèãàåòñÿ â òå÷åíèå äåñÿòêîâ
ìèíóò. Ïðè èîííîé îáðàáîòêå íåðåäêî âîçíèêàþò
ìåòàñòàáèëüíûå ñòðóêòóðíî-ôàçîâûå ñîñòîÿíèÿ è èîííî-èíäóöèðîâàííûå ôàçû. Êðàòêîâðåìåííîñòü, ñèëüíàÿ íåðàâíîâåñíîñòü è íåîäíîðîäíîñòü ïðîöåññîâ ïðè
èîííîé è èîííî-ïëàçìåííîé îáðàáîòêå ïîçâîëÿåò
ìîäèôèöèðîâàòü ïîâåðõíîñòíûå ñëîè ñ óëó÷øåíèåì
èõ ýêñïëóàòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê. Ïðè ýòîì êîíå÷íûé ýôôåêò ñèëüíî çàâèñèò îò óñëîâèé è ïàðàìåòðîâ
îáëó÷åíèÿ. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðîãíîçèðóåìûõ ñâîéñòâ
ïîâåðõíîñòè ïóòåì èîííîé îáðàáîòêè íåîáõîäèìî
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ
ó÷èòûâàòü âûøåïåðå÷èñëåííûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ
â ðàäèàöèèîííûõ òåõíîëîãèÿõ îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè
ìàòåðèàëîâ.
Äàëåå áóäóò ïðèâåäåíû êîíêðåòíûå ïðèìåðû ïîâåðõíîñòíîé ìîäèôèêàöèè ìàòåðèàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì èîííûõ è èîííî-ïëàçìåííûõ ïó÷êîâ.
ÈÎÍÍΖÏËÀÇÌÅÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ
ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ
Ïåðåä íàíåñåíèåì ïîêðûòèé ïîâåðõíîñòü ìàòåðèàëà
ïðîõîäèò ôàçó ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêè, òàê
íàçûâàåìîé èîííîé î÷èñòêè.  ïðîöåññå èîííîé î÷èñòêè ïîâåðõíîñòü î÷èùàåòñÿ îò îêèñíîé ïëåíêè è äðóãèõ
çàãðÿçíåíèé. Êðîìå òîãî, ïîñðåäñòâîì èîííîé áîìáàðäèðîâêè ñ ïîìîùüþ èîííîãî ïåðåìåøèâàíèÿ ñîçäàåòñÿ ïåðåõîäíîé ñëîé ìåæäó íàíîñèìîé ïëåíêîé è ïîäëîæêîé.
Èîííàÿ î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè íåîáõîäèìà äëÿ
îáåñïå÷åíèÿ õîðîøåé àäãåçèè ïîêðûòèé ñ ïîâåðõíîñòüþ îáðàáàòûâàåìîãî ìàòåðèàëà. Ýòó îïåðàöèþ îñóùåñòâëÿþò ñ ïîìîùüþ áîìáàðäèðîâêè èîíàìè èíåðòíûõ ãàçîâ èëè èîíàìè îñàæäàåìîãî ìàòåðèàëà. Ýôôåêòèâíîñòü î÷èñòêè îïðåäåëÿåòñÿ òèïîì èñïîëüçóåìûõ
èîíîâ, èõ ýíåðãèåé, ïëîòíîñòüþ òîêà. Ñêîðîñòü èîííîé
î÷èñòêè òàê æå çàâèñèò îò âèäà îáðàáàòûâàåìîãî ìàòåðèàëà, ñòåïåíè åãî çàãðÿçíåíèÿ è îêèñëåííîñòè, âàêóóìíûõ óñëîâèé îáðàáîòêè.
Äëÿ èîííîé î÷èñòêè ïðèìåíÿþò êàê ãàçîâûå, òàê è
ìåòàëëè÷åñêèå èîíû. Äëÿ î÷èñòêè ãàçîâûìè èîíàìè
÷àñòî ïðèìåíÿþò òðèîäíûå ñèñòåìû èîííî-ïëàçìåííîãî òðàâëåíèÿ [5]. Òðàäèöèîííûå òðèîäíûå ñèñòåìû
ïîçâîëÿþò èçâëåêàòü èîííûå òîêè íà ïîäëîæêó ñ
ïëîòíîñòüþ äî Ji = 10 ÷15 ìÀ/ñì2. Ïðèìåíåíèå â ÍÍÖ
ÕÔÒÈ ñèñòåìû ñêðåùåííûõ ýëåêòðè÷åñêîãî Å è ìàãíèòíîãî Í ïîëåé ïîçâîëèëî óâåëè÷èòü ïëîòíîñòü èîííîãî òîêà íà ïîäëîæêó äî Ji = 70 ÷310 ìÀ/ñì2, à òàêæå
óëó÷øèòü ðàâíîìåðíîñòü îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè
ìàòåðèàëîâ è ðàñøèðèòü äèàïàçîí ðàáî÷èõ äàâëåíèé â
ñòîðîíó ìåíüøèõ çíà÷åíèé.  êà÷åñòâå ðàáî÷èõ ãàçîâ
â èñòî÷íèêå èñïîëüçîâàëè èíåðòíûå ãàçû (àðãîí,
êðèïòîí, êñåíîí, ãåëèé, íåîí, âîäîðîä, àçîò). Ïðè
èñïîëüçîâàíèè âñåõ ãàçîâ äîñòèãàëèñü âûñîêèå
çíà÷åíèÿ ðàçðÿäíîãî òîêà èñòî÷íèêà, îäíàêî äèàïàçîí
ðàáî÷èõ äàâëåíèé ãàçà â âîäîðîäå è àçîòå, ïî ñðàâíåíèþ ñ àðãîíîì, ñìåùàëñÿ â îáëàñòü ìåíüøèõ çíà÷åíèé
(ðèñ. 4).
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ðàçðÿäíîãî òîêà èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû
(IÐ) îò äàâëåíèÿ ðàáî÷åãî ãàçà (p). Ií= 100 À, Í = 60 Ý. Ðàáî÷èå
ãàçû: 1 – àðãîí; 2 – àçîò; 3 – âîäîðîä.
Çàâèñèìîñòü âåëè÷èíû èîííîãî òîêà, èçâëåêàåìîãî
èç èñòî÷íèêà, îò òîêà íåñàìîñòîÿòåëüíîãî ðàçðÿäà
ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 5. Èîííûé òîê èçâëåêàëñÿ íà
Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
êîëëåêòîð, ðàñïîëîæåííûé íà ðàññòîÿíèè 100 ìì îò
ñðåçà àíîäà. Ïðèåìíàÿ ïîâåðõíîñòü êîëëåêòîðà èìåëà
ïëîùàäü ≈ 400 ñì2. Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 5, âî âñåì èññëåäóåìîì äèàïàçîíå ðàçðÿäíûõ òîêîâ âåëè÷èíà èîííîãî
òîêà ñîñòàâëÿåò îêîëî 30 % îò âåëè÷èíû òîêà ðàçðÿäà.
Ðèñ.5. Çàâèñèìîñòü èîííîãî òîêà (Ii) íà ïîäëîæêå îò ðàçðÿäíîãî
òîêà (Ip) èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû â àðãîíå Ua = 80Â; Í = 60Ý;
ð = 10–1 Ïà.
Ïëîòíîñòü òîêà èçìåíÿëàñü îò 0,0075À/ñì2 äî 0,3À/ñì2
(ïðèâåäåíû óñðåäíåííûå çíà÷åíèÿ). Äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ
ïðèëîæåíèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñêîðîñòè òðàâëåíèÿ
Vòð, õàðàêòåðèçóþùèå ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ðàñïûëèòåëüíîé ñèñòåìû (ðèñ. 6). Êàê âèäíî, ñ óâåëè÷åíèåì
ýíåðãèè èîíîâ ñêîðîñòü òðàâëåíèÿ âîçðàñòàåò.
Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè òðàâëåíèÿ (Vòð) ðÿäà ìàòåðèàëîâ
îò ýíåðãèè èîíîâ Ar: 1 – Cr; 2 – Al; 3 – Mo; 4 – Ti; ð= 0,1 Ïà,
J = 5 mA/ñì2.
Ïðè èîííî-ïëàçìåííîì îñàæäåíèè ïîêðûòèé èîííóþ î÷èñòêó ïîêðûâàåìîé ïîâåðõíîñòè çà÷àñòóþ îñóùåñòâëÿþò ïóòåì áîìáàðäèðîâêè èîíàìè îñàæäàåìîãî ìàòåðèàëà. Ïðè î÷èñòêå ïîâåðõíîñòè èîíàìè ìåòàëëîâ íàáëþäàåòñÿ äâà êîíêóðèðóþùèõ ïðîöåññà: ðàñïûëåíèå ïîâåðõíîñòè è íàêîïëåíèå íà íåé áîìáàðäèðóþùåãî ìàòåðèàëà (ðèñ. 7) [6]. Ýôôåêò ðàñïûëåíèÿ
äëÿ èñïîëüçóåìûõ èîíîâ ñòàíîâèòñÿ ïðåîáëàäàþùèì
ïðè äîñòèæåíèè íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà,
ïðè êîòîðîì íàáëþäàåòñÿ íóëåâîé ïðèðîñò òîëùèíû.
 äàííîì ñëó÷àå âåëè÷èíà ïîòåíöèàëà ñîñòàâëÿåò 400
÷ 620 Â. Ïðåâûøåíèå ïîòåíöèàëà íàä åãî êðèòè÷åñêèì
çíà÷åíèåì ïðèâîäèò ê ïðåîáëàäàíèþ ïðîöåññà ðàñïûëåíèÿ íàä êîíäåíñàöèåé. Ýôôåêòèâíîñòü ðàñïûëåíèÿ
ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì ýíåðãèè è ìàññû ïàäàþùèõ
èîíîâ. Òàê, íàïðèìåð, ðàçëè÷èå â ðàñïûëÿþùåé ñïîñîáíîñòè èîíîâ Mo è Al ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 180 ÷190%
43
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
Îñîáåííî öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü òàêóþ ñèñòåìó äëÿ îáðàáîòêè ñëîæíîïðîôèëüíûõ äåòàëåé. Íà
ðèñ. 8 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè óáûëè ìàññû îáðàçöîâ
ïðè òðàâëåíèè íàðóæíîé è âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè
òðóáû äèàìåòðîì 150 ìì, äëèíîé 180 ìì ñ òîëùèíîé
ñòåíêè 5 ìì è ñîîòíîøåíèåì d/L = 0,8.
Ðèñ.7. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè êîíäåíñàöèè îò óñêîðÿþùåãî ïîòåíöèàëà íà ïîäëîæêå èç ñòàëè Ñò 3, Ð = 10–3 Ïà, Ji = 2,1 ± 0,3
mA/ñì2: 1 – Mo, 2 – Zr, 3 – Ti, 4 – Al, 5 – Ti, (òå÷ü â êàìåðå).
ïðè óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè 1000 Â. Òàêîå ðàçëè÷èå
îáóñëîâëåíî íå òîëüêî îòëè÷èåì ìàññû, ÷òî âåñüìà
ñóùåñòâåííî, íî è ñðåäíèì çàðÿäîì èîíîâ Z – äëÿ
Mo: Z = 2,26, à äëÿ Al: Z =1,58 [6, 7]. Ïðè ýòîì ðåàëüíàÿ
ýíåðãèÿ ÷àñòèö ñîñòàâëÿåò 2,26 êý è 1,58 êý ñîîòâåòñòâåííî.
Íå ìåíåå âàæíóþ ðîëü â ïðîöåññå î÷èñòêè ïîäëîæêè, ïî ñðàâíåíèþ ñ ýíåðãèåé è âèäîì èîíîâ, èãðàþò
âàêóóìíûå óñëîâèÿ (êð. 5. ðèñ.7). Èç-çà âçàèìîäåéñòâèÿ
ìîëåêóë îñòàòî÷íîãî ãàçà ñ èîíàìè ìåòàëëîâ èëè àòîìàìè ïîäëîæêè ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ òðóäíî ðàñïûëÿåìûå ñîåäèíåíèÿ. Ñîîòâåòñòâåííî ïîëíûé ôëþåíñ
îáëó÷åíèÿ, íåîáõîäèìûé äëÿ ðàñïûëåíèÿ òàêèõ
ñîåäèíåíèé, ìîæåò ñóùåñòâåííî âîçðàñòè. Óâåëè÷åíèå
äîçû èîííîé î÷èñòêè çàìåòíî ïîâûøàåò àäãåçèþ
ïîêðûòèÿ ê îñíîâå è óëó÷øàåò çàùèòíûå ñâîéñòâà
ïîêðûòèÿ [8]. Íà ïðàêòèêå ïîëíûé ôëþåíñ îáëó÷åíèÿ
îáåñïå÷èâàåòñÿ çà âðåìÿ î÷èñòêè ∼ 10 ìèí.
Ïëàçìà âàêóóìíîé äóãè ìîæåò ñîäåðæàòü èîíû ìåòàëëîâ ñ çàðÿäíîñòüþ +1, +2, +3 è äàæå +5 (äëÿ ìîëèáäåíà). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ýíåðãèÿ èîíîâ ìåòàëëîâ ïðè
óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè íà ïîäëîæêå 1÷1,5 êýÂ ìîæåò
ïðåâûøàòü âåëè÷èíó 3÷5 êýÂ. Òàêèå ýíåðãèè ëåæàò
äàëåêî çà ïðåäåëàìè îáëàñòè ìàêñèìàëüíîé ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ïðîöåññà ðàñïûëåíèÿ. Ïîýòîìó, èîííàÿ î÷èñòêà èîíàìè ìåòàëëîâ ñîïðîâîæäàåòñÿ ñèëüíûì íàãðåâîì ïîäëîæêè ñ îáðàçöàìè èëè èçäåëèÿìè. Äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü ïåðåãðåâà ïîäëîæêè
> 500 îÑ, î÷èñòêó ïðîâîäÿò èìïóëüñíî, ñ ïåðåðûâàìè
äëÿ îñòûâàíèÿ ïîäëîæêè, ÷òî ñèëüíî çàòÿãèâàåò îáùåå
âðåìÿ î÷èñòêè. Âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà ïîäëîæêè ïðè áîìáàðäèðîâêå èîíàìè ìåòàëëîâ ñèëüíî
îãðàíè÷åíà. Ïðîöåññ î÷èñòêè ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîÿâëåíèåì ìèêðîäóã, âûçûâàþùèõ ïîâðåæäåíèÿ ïîâåðõíîñòè [6, 8].
Èîííàÿ î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì
ðàñïûëèòåëüíûõ ñèñòåì íà îñíîâå ðàçðàáîòàííîãî â
ÍÍÖ ÕÔÒÈ èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû îáëàäàåò ïðåèìóùåñòâàìè ïåðåä î÷èñòêîé èîíàìè ìåòàëëîâ. Ñðåäè
íèõ: èñêëþ÷åíèå ïîÿâëåíèÿ ìèêðîäóã è âûçûâàåìûõ
èìè ïîâðåæäåíèé ïîâåðõíîñòè, ìåíüøèé íàãðåâ î÷èùàåìîé ïîâåðõíîñòè, ñîêðàùåíèå îáùåãî âðåìåíè,
èäóùåãî íà î÷èñòêó [9, 10].
44
Ðèñ. 8. Óáûëü ìàññû ìàòåðèàëà îêèñëåííûõ îáðàçöîâ èç Ñò. 3
(1,2), ïðè èîííîì òðàâëåíèè â àðãîíîâîé ïëàçìå; ð = 0,1 Ïà;
Iäåò = 1 A; Uäåò = – 200 Â; 1 – íàðóæíàÿ ïîâåðõíîñòü; 2 – âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü.
Ïîëó÷åííûå ïðè èîííî-ïëàçìåííîé î÷èñòêå ðåçóëüòàòû ïîñëóæèëè îñíîâàíèåì äëÿ ðàçâèòèÿ ðàáîò ïî
ìîäèôèöèðîâàíèþ ïîâåðõíîñòè â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ ãàçîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ïëàçìû â íàïðàâëåíèÿõ
íèçêîýíåðãåòè÷åñêîãî èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ è ñðåäíåýíåðãåòè÷åñêîé èìïëàíòàöèè.
ÈÎÍÍÎ-ÏËÀÇÌÅÍÍÎÅ ÀÇÎÒÈÐÎÂÀÍÈÅ
 ïðîìûøëåííûõ ìåòîäàõ èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ èîííóþ îáðàáîòêó ïîâåðõíîñòè îñóùåñòâëÿþò â òëåþùåì
ðàçðÿäå, çàæèãàåìîì â àììèàêå èëè â àçîòîâîäîðîäíûõ
ñìåñÿõ è øèðîêî ïðèìåíÿþò â ïðîìûøëåííîñòè,
çàìåíÿÿ òðàäèöèîííûé ñïîñîá ãàçîâîãî àçîòèðîâàíèÿ
[9].
Íàðÿäó ñ ýòèì ìåòîäîì, âñå áîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷àåò ìåòîä èîííî-ïëàçìåííîé îáðàáîòêè
ïîâåðõíîñòè â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ àçîòíîé ïëàçìû,
ãåíåðèðóåìîé íåñàìîñòîÿòåëüíûì äóãîâûì ðàçðÿäîì
[11 – 13].
Äëÿ âîçáóæäåíèÿ íåñàìîñòîÿòåëüíîãî äóãîâîãî
ðàçðÿäà â àçîòå èñïîëüçóþò ëèáî ñàìîñòîÿòåëüíûé äóãîâîé ðàçðÿä ñ õîëîäíûì êàòîäîì [11], ëèáî ïðèìåíÿåòñÿ èñòî÷íèê ñ òåðìîêàòîäîì [13 – 14]. Ïîñëåäíèé âàðèàíò ÿâëÿåòñÿ ïðåäïî÷òèòåëüíûì, ïîñêîëüêó ïîçâîëÿåò
â øèðîêèõ ïðåäåëàõ âàðüèðîâàòü ýíåðãèþ è ïëîòíîñòü
ïîòîêà èîíîâ íà îáðàáàòûâàåìóþ äåòàëü, ÷òî îáåñïå÷èâàåò èíäèâèäóàëüíûé ïîäõîä ê îáðàáîòêå èçäåëèé
èç ðàçëè÷íûõ èíñòðóìåíòàëüíûõ ìàòåðèàëîâ ñ ðàçíîîáðàçíîé ãåîìåòðèåé.
Ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â èñòî÷íèêå ïëàçìû ñ
òåðìîêàòîäîì èîííîé îáðàáîòêå ïîäâåðãàëè îáðàçöû
èç ñòàëåé Ñò30, Ó8À, 40Õ13, Ð6Ì5, Ð18, 5ÕÍÌ è ÷óãóíà
Ñ×-20 [12 – 13]. Îáðàçöû èìåëè ôîðìó äèñêîâ äèàìåòðîì 20 ìì è òîëùèíîé 3 ìì. Ïåðåä àçîòèðîâàíèåì
îáðàçöû ïðîõîäèëè îïåðàöèþ èîííîé î÷èñòêè â âàêóóìå, îñóùåñòâëÿåìóþ ïóòåì áîìáàðäèðîâêè èõ ïîâåðõíîñòè íèçêîýíåðãåòè÷åñêèìè èîíàìè àðãîíà (Ei ≤
200 ýÂ). Òåìïåðàòóðó îáðàçöîâ â ïðîöåññå àçîòèðîâàíèÿ èçìåíÿëè â äèàïàçîíå 350 ÷ 600 îÑ. Áûëî ïîêàçàíî
[12 –16], ÷òî ìèêðîòâåðäîñòü ïîâåðõíîñòè îáðàçöîâ äëÿ
âñåõ ìàòåðèàëîâ, ïðîàçîòèðîâàííûõ â ïëàçìå äóãè ñ
òåðìîýìèññèîííûì êàòîäîì, ïîâûøàåòñÿ â 2 ÷5 ðàç
(òàáë. 2).
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ
Òàáëèöà 2
Âëèÿíèå ÈÏÀ íà ìèêðîòâåðäîñòü îáðàáîòàííîé
ïîâåðõíîñòè
Ìàðêà
ñòàëè
(÷óãóíà)
Ñòàëü Ñòàëü
30
Ó8À
Ñòàëü
40Õ13
Ñòàëü
5ÕÍÌ
Ñòàëü
Ð6Ì5
Ñòàëü
Ð18
Ñ×
20
ÍVèñõ,
ÃÏà
2
7
5,5
2,7
8,7
9,2
0,31
ÍVàç,
ÃÏà
7÷10
8÷13
9÷14
8÷12
11÷.14
11÷14
0,62
Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ñòàëåé 5ÕÍÌ è 5ÕÍÂ ïîñëå èîííîãî
àçîòèðîâàíèÿ, ïðîâåäåííîãî â òå÷åíèå äâóõ ÷àñîâ,
ïðåäñòàâëåíî íà ðèñ. 9.
Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå àçîòèðîâàííîãî ñëîÿ äëÿ ñòàëåé 5ÕÍÌ (1) è 5ÕÍÂ (2): Ò = 500 0Ñ.
Ïîñëå èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ ïðàêòè÷åñêè íå ïðîèñõîäèò ðàçóïðî÷íåíèÿ îñíîâíîãî îáúåìà ìàòåðèàëà.
Òîëùèíà óïðî÷íåííîãî ñëîÿ ñ ïîâûøåííîé òâåðäîñòüþ äîñòèãàåò 80 ìêì. Ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè ÷óãóíà, â òåõ æå óñëîâèÿõ ÷òî è ñòàëè 5ÕÍÌ, ãëóáèíà àçîòèðîâàííîãî ñëîÿ äîñòèãàëà 200 ìêì [12]. Ðàçóïðî÷íåíèå
îñíîâíîãî ìàòåðèàëà â ýòîì ñëó÷àå íå íàáëþäàëîñü.
Äëÿ âûñîêîëåãèðîâàííûõ ñòàëåé Ð18 è Ð6Ì5, àçîòèðîâàííûõ â òåõ æå óñëîâèÿõ, òîëùèíà óïðî÷íåííîãî
ñëîÿ âîçðàñòàåò â 3 – 4 ðàçà.
Óïðî÷íåíèå ìåòàëëîâ, â òîì ÷èñëå è ñòàëåé, ïðè
èîííîì îáëó÷åíèè îáóñëîâëåíî ñîâîêóïíîñòüþ ðÿäà
ôàêòîðîâ: äåôåêòîîáðàçîâàíèåì, èîííîñòèìóëèðîâàííûìè ðåàêöèÿìè íà ïîâåðõíîñòè è â îáúåìå ìåòàëëà,
ðàñïûëåíèåì, ñòèìóëèðîâàííûìè ôàçîâûìè ïðåâðàùåíèÿìè è ò.ä. [17]. Ïðè âíåäðåíèè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ
èîíîâ â ïîâåðõíîñòü, íàáëþäàåìîì ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè, îñíîâíûì ôàêòîðîì, ïðèâîäÿùèì ê óïðî÷íåíèþ ìàòåðèàëîâ, ÿâëÿåòñÿ îáðàçîâàíèå íîâûõ íèòðèäíûõ ôàç, îáëàäàþùèõ âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, à òàêæå òîðìîæåíèå äèñëîêàöèé âîêðóã îáðàçóþùèõñÿ âêëþ÷åíèé.
 òàáë. 3. ïðåäñòàâëåíû äàííûå [13 – 16] ïî èññëåäîâàíèþ âëèÿíèÿ àçîòèðîâàíèÿ, ïðîâåäåííîãî ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè íà ñîñòàâ è ñâîéñòâà îáðàáîòàííîé
ïîâåðõíîñòè è ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ. Ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿëè èîííîå àçîòèðîâàíèå â àçîòå (ÈÀÀ), òðàäèöèîííîå ãàçîâîå àçîòèðîâàíèå (ÃÀ) è èîííîå àçîòèðîâàíèå â àçîòî-âîäîðîäíîé ñìåñè (ÈÀÀÂÑ). Âñå ïðîöåññû îñóùåñòâëÿëè ïðè òåìïåðàòóðå 500 – 550îÑ. Êàê
Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
ñëåäóåò èç ýòîé òàáëèöû, ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â
÷èñòîì àçîòå, íà ïðèìåðå ñòàëè 5ÕÍÌ, âîçìîæíî
çíà÷èòåëüíî áîëüøåå, ÷åì ïðè ãàçîâîì àçîòèðîâàíèè,
óâåëè÷åíèå òâåðäîñòè.
Àíàëèç ñîäåðæàíèÿ âîäîðîäà â ïîâåðõíîñòíûõ
ñëîÿõ îáðàçöîâ ïîêàçûâàåò, ÷òî àçîòèðîâàíèå â ïëàçìå
äóãè ñ òåðìîýìèññèîííûì êàòîäîì ïðàêòè÷åñêè íå ñîïðîâîæäàåòñÿ íàâîäîðîæèâàíèåì ñòàëåé, íàáëþäàåìîì ïðè òðàäèöèîííûõ ìåòîäàõ ãàçîâîãî è èîííîãî
àçîòèðîâàíèÿ â àçîòî-âîäîðîäíûõ ñìåñÿõ. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðè ãàçîâîì àçîòèðîâàíèè ñòàëè 5ÕÍÌ â
àììèàêå ñîäåðæàíèå âîäîðîäà âîçðîñëî â 8,5 ðàç, à
ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â òëåþùåì ðàçðÿäå â àçîòîâîäîðîäíûõ ñìåñÿõ âîçðîñëî â 9 ðàç. Ïîñëå èîííîãî
àçîòèðîâàíèÿ ñ ïîìîùüþ äóãè ñ òåðìîýìèññèîííûì
êàòîäîì ñîäåðæàíèå âîäîðîäà âîçðîñëî ìåíåå ÷åì â
1,5 ðàçà, ïî ñðàâíåíèþ ñ åãî èñõîäíûì çíà÷åíèåì.
Íåçíà÷èòåëüíîå íàâîäîðîæèâàíèå ìàòåðèàëà â èññëåäóåìîì ìåòîäå àçîòèðîâàíèÿ íå âåäåò ê îõðóï÷èâàíèþ ïîâåðõíîñòè ñòàëåé, î ÷åì ñâèäåòåëüñòâóåò îòñóòñòâèå ñêîëîâ íà îòïå÷àòêàõ àëìàçíîé ïèðàìèäû ïðè
èçìåðåíèè ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ.
Îïèñàííûé âûøå âàðèàíò èîííî-ïëàçìåííîãî àçîòèðîâàíèÿ â ÷èñòîì àçîòå ñ èñïîëüçîâàíèåì òåðìîýìèññèîííîãî èñòî÷íèêà ïëàçìû áûë àïðîáèðîâàí
ïðè îáðàáîòêå îïûòíûõ ïàðòèé øòàìïîâ äëÿ âûðóáíûõ
àâòîìàòîâ (Ñò.5ÕÍÌ), ïðåññôîðì äëÿ âûðóáêè
ðåçèíîâûõ êîëåö (Ñò. Ð6Ì5), øòàìïàõ äëÿ ïðàâêè òðóá
èç íåðæàâåþùèõ ñòàëåé äëÿ àòîìíîé ïðîìûøëåííîñòè
(Ñò.5ÕÍÌ) [5]. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ áûëî äîñòèãíóòî
ïîâûøåíèå èçíîñîñòîéêîñòè è ñðîêà ñëóæáû èíñòðóìåíòîâ â 3 − 5 ðàç.
ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÎÍÍÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
Äëÿ èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ òàê æå ýôôåêòèâíî ïðèìåíÿþò íèçêîýíåðãåòè÷åñêèå èîííûå èñòî÷íèêè [18].
Èñïîëüçîâàíèå âûñîêîäîçîâîé èîííîé èìïëàíòàöèè
ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü àçîòèðîâàííûå ñëîè òîëùèíîé ñóùåñòâåííî ïðåâûøàþùåé ïðîåêòèâíûå ïðîáåãè
èîíîâ. Íà ðèñ. 10 ïðèâåäåíû äàííûå ýêñïåðèìåíòîâ è
êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ êîíöåíòðàöèè àçîòà â
ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè [4, 19]. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, äàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü òîëñòûå
àçîòèðîâàííûå ñëîè. Îñîáåííî àêòóàëüíî ïðèìåíåíèå
èîííîé îáðàáîòêè ïðè íèçêèõ è ñðåäíèõ òåìïåðàòóðàõ
âî èçáåæàíèå ôàçîâûõ ïåðåõîäîâ è ñåãðåãàöèè â ìàòðèöå.
Ðèñ. 10. Êîíöåíòðàöèÿ àçîòà â àóñòåíèòíîé ñòàëè, îáëó÷åííîé
èîíàìè àçîòà äî äîçû 3,5.1019 èîí/ñì2. Êðèâàÿ 1 – ïðè òåìïåðàòóðå T = 543K è ïëîòíîñòè òîêå J=0,5 ìÀ/ñì2, êðèâàÿ 2 – ïðè
T = 673 K è J = 0,5 ìÀ/ñì2, êðèâàÿ 3 – ïðè T = 673K è J = 1,0
ìÀ/ñì2. Ìàðêåðû - ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå.
45
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
Òàáëèöà 3
Ñðàâíèòåëüíûå õàðàêòåðèñòèêè àçîòèðîâàííûõ ñëîåâ
Ñòàëü
5ÕÍÌ
Ó8
40Õ13
Ð18
Ñïîñîá
àçîòèðîâ.
Ïîâåðõíîñòü îáðàçöà
Ñîäåðæàíèå % àò.
Ïðèïîâåðõíîñòíûé ñëîé
ÐV0,1 ÃÏà
Ôàçîâûé
cîñòàâ
Ðàññòîÿí.îò
ïîîâ., ìêì
Àçîò % àò.
HV0,1 ÃÏà
àçîò
âîäîðîä
íå àçîò.
0,12
0,4
2,4÷2,7
F eα
-
-
-
ÈÀÀ
22
-
7,0÷9,5
γ '+ Fe ñ
óâåë. ïåð.
10
19,2
8,4…8,7
ε+γ
ÃÀ
3,0
3,4
3,2÷3,8
Feα+ γ '
-
-
-
-
ÈÀÀ
28
-
7,7÷10
Fe + ε
10
21,4
4,0…5,0
F eα + ε
ÈÀÀ
9,5
0,57
6,0÷8,0
10
2
íå àçîò.
0,095
-
2,3÷2,5
-
-
-
-
-
ÈÀÀ
17,5
-
8,7÷10,0
-
10
-
7,2…8,4
γ + ε + Fe3C
(ñëåäû)
ÈÀÀ
25,0
-
4,7÷5,7
Fe3C + ε +
Fe γ + γ '
10
-
2,3…2,6
F eα + ε + γ '
ÃÀ
9,6
íå èçì.
3,0÷3,4
F e α+ γ ' + ε
-
-
-
-
ÈÀÀÂÑ
2,1
íå èçì.
3,6÷5,0
-
-
-
-
-
ÈÀÀ
27
-
13÷14
F eα + ε
8…9
27,7
-
ε + γ ' + F eγ
ÃÀ
9,1
-
12÷12,9
F eα + ε
-
-
-
-
ÈÀÀÂÑ
27,4
5,2
12,1÷12,9
-
-
-
-
-
Íà ïðàêòèêå ïðèìåíÿåòñÿ âûñîêîäîçîâàÿ èìïëàíòàöèÿ íå òîëüêî àçîòà, íî è äðóãèõ èîíîâ. Âîçìîæíîñòü
ñóùåñòâåííîãî óëó÷øåíèÿ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ
ïîâåðõíîñòè è ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ êîíñòðóêöèîííûõ, èíñòðóìåíòàëüíûõ è äåëÿùèõñÿ ìàòåðèàëîâ áåç
èçìåíåíèÿ èõ îáúåìíûõ ñâîéñòâ è ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ êîíêðåòíûõ äåòàëåé ïðèâëåêàåò ïðèñòàëüíîå âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé è èíæåíåðîâ ñ ñåðåäèíû 70-õ
ãîäîâ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ ìîäèôèöèðîâàíèÿ ïîâåðõíîñòè óñïåøíî ïðèìåíÿþò èìïëàíòàöèþ èîíîâ
ðÿäà ìåòàëëîâ [17] è àêòèâíûõ ãàçîâ [20-24]. Îñîáûé
èíòåðåñ ìíîãèõ èññëåäîâàòåëåé âûçûâàåò èìïëàíòàöèÿ
èíåðòíûõ ãàçîâ [17].
Íà ðèñ. 11 ïðèâåäåíû êèíåòè÷åñêèå êðèâûå êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé îáðàçöîâ Zr, îáëó÷åííûõ èîíàìè
Ar+ ïðè ðàçëè÷íûõ äîçàõ. Èç ðèñóíêà ñëåäóåò, ÷òî ýôôåêò çàìåäëåíèÿ êîððîçèè îáíàðóæèâàåòñÿ âî âñåì èññëåäóåìîì èíòåðâàëå äîç îáëó÷åíèÿ. Íàèáîëüøèé ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ äëÿ äîçû îáëó÷åíèÿ 4⋅1016 èîí/ñì2
Ðèñ.11. Âëèÿíèå èîííîé èìïëàíòàöèè íà êîððîçèþ Zr. 1. Íåîáëó÷åííûå îáðàçöû – ñâèäåòåëè; 2. D i = 1015 ñì2; 3. Di = 5⋅1015ñì2
4. Di = 1016 ñì2; 5. D i= 4⋅1016 ñì2.
46
Ôàçîâûé
ñîñòàâ
(êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü â 2 ðàçà âûøå, ÷åì äëÿ íåîáëó÷åííûõ îáðàçöîâ) [14].
Çíà÷èòåëüíî áîëüøèé, ÷åì íà öèðêîíèè, àíòèêîððîçèîííûé ýôôåêò îò îáëó÷åíèÿ èîíàìè àðãîíà íàáëþäàåòñÿ ïðè îáðàáîòêå óðàíîâûõ îáðàçöîâ äàæå ïðè
ýíåðãèÿõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøèõ ïîðîãîâûõ [20]. Ïðè
ýíåðãèè èîíîâ â 5 êý íàáëþäàåòñÿ çàìåäëåíèå êîððîçèè, îñîáåííî íà ýòàïå èñïûòàíèé äî 1000 ÷àñîâ (ñì.
ðèñ. 12) [14]. Ñ óâåëè÷åíèåì æå ýíåðãèè èîíîâ àðãîíà
äî 10 – 25 êý ñòåïåíü çàìåäëåíèÿ êîððîçèè ñîñòàâëÿåò
îò 60 % äî 430 %, ïî ñðàâíåíèþ ñ êîíòðîëüíûìè îáðàçöàìè.
Ðèñ.12. Çàâèñèìîñòü óâåëè÷åíèÿ ìàññû óðàíîâûõ îáðàçöîâ,
îáëó÷åííûõ èîíàìè Ar+, îò äëèòåëüíîñòè óñêîðåííûõ êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé âî âëàæíîé àòìîñôåðå. Óñëîâèÿ èñïûòàíèé:
Ò = +60îÑ; âëàæíîñòü 98%; Di = 1.1017 èîí/ñì2. 1- Íåîáëó÷åííûå
îáðàçöû-ñâèäåòåëè; 2 - Åi = 5 êýÂ; 3 - Åi =10 êÂ; 4 - Åi =15 êýÂ;
5 - Åi = 25 êýÂ.
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ
Äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè ôèçè÷åñêèé ìåõàíèçì âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ èíåðòíûìè ãàçàìè íà çàìåäëåíèå
êîððîçèè íå óñòàíîâëåí. Âîçìîæíûì îáúÿñíåíèåì ÿâëÿåòñÿ çàìåäëåíèå êîððîçèè èç-çà îáðàçîâàíèÿ áàðüåðà
èç àòîìîâ èíåðòíîãî ãàçà, ñíèæàþùåãî ñêîðîñòü ñîðáöèè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ãàçîâ ïîâåðõíîñòüþ ìåòàëëà
[21]. Óìåíüøåíèå ñêîðîñòè êîððîçèè ìîæåò áûòü òàêæå
ñâÿçàíî ñ âîçíèêíîâåíèåì â îáëó÷åííîé ïîâåðõíîñòè
ãàçîâûõ ïóçûðåé. Òàêèå ïóçûðè ìîãóò èãðàòü ðîëü äèôôóçèîííîãî áàðüåðà äëÿ âàêàíñèé îáëó÷àåìîãî ìåòàëëà íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà ìåòàëë-îêñèä, ÷òî è âåäåò
ê òîðìîæåíèþ ïðîöåññà îêèñëåíèÿ [22].
Àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû ïîâûøåíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè íàáëþäàëè òàêæå ïðè âûñîêîäîçîâîé
èîííîé èìïëàíòàöèè ðÿäà ìåòàëëîâ èîíàìè Zr, Mo,
Nb, Ti, Al [25]. Íàèáîëåå ÿðêî ýòîò ýôôåêò, êàê è â ñëó÷àå
èìïëàíòàöèè èíåðòíûõ ãàçîâ, íàáëþäàåòñÿ ïðè îáðàáîòêå óðàíà (ðèñ. 13) [9, 26].
Ðèñ. 13. Çàâèñèìîñòü ïðèâåñîâ îáðàçöîâ îò äëèòåëüíîñòè êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé: 1– èñõîäíûé óðàí; 2, 3, 4 – óðàí, îáëó÷åííûé èîíàìè àëþìèíèÿ ïðè Di = 1.1017èîí/ñì2, Uï = –2,5êÂ
(2), –5 ê (3), –7,5 ê (4).
Èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷åíû ïðè îáëó÷åíèè
ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëà èìïóëüñíûìè ïëàçìåííûìè
ïîòîêàìè [27]. Îáðàçöû ñòàëåé 40Õ, 12ÕÍ3ÔÀ ØÕ15,
ÕÂà îáëó÷àëèñü èìïóëüñíûìè ïîòîêàìè àçîòíîé, àçîòíî-âîäîðîäíîé, âîäîðîäíî-ãåëèåâîé è àçîòíî-ãåëèåâîé
ïëàçìîé. Îïðåäåëÿëàñü çàâèñèìîñòü âåëè÷èíû ìèêðîòâåðäîñòè îò ÷èñëà ðàçðÿäîâ ïðè äîçå ýêñïîçèöèè çà
îäèí èìïóëüñ 5.1016 ñì2. Ìàêñèìàëüíîå óâåëè÷åíèå
ìèêðîòâåðäîñòè (ïðèìåðíî â 3 ðàçà, ïî ñðàâíåíèþ ñ
ìèêðîòâåðäîñòüþ íåîáëó÷åííûõ îáðàçöîâ) äëÿ ñòàëè
40Õ íàáëþäàåòñÿ ïðè îáùåé äîçå ýêñïîçèöèè 5.1017ñì2,
à äëÿ ñòàëè 12ÕÍÇÀ ïðè 1018ñì2. Ïîâûøåíèå ìèêðîòâåðäîñòè â îáëó÷åííûõ îáðàçöàõ ñòàëåé ÕÂÃ, ØÕ15 è
ñòàëè 45 äîñòèãàëî 2 – 4 ðàçà.
Ðèñ. 14. Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäî ñòè ïî ãëóáèíå îò
ïîâåðõíîñòè îáëó÷åííûõ îáðàçöîâ ñòàëåé è ñïëàâà ïîòîêàìè
âîäîðîäíî-ãåëèåâîé ( ), àçîòíîé ( ) è âîäîðîä-àçîòíîé ( )
ïëàçìû.
Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1
Íàáëþäàåìîå óâåëè÷åíèå ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ ñòàëåé ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ñòðóêòóðíî-ôàçîâîãî
èçìåíåíèÿ è ëèøü ÷àñòè÷íî ïðîöåññà àçîòèðîâàíèÿ
ïîâåðõíîñòè. Ïîäòâåðæäåíèåì ýòîìó ñëóæèò îäèíàêîâûé õîä çàâèñèìîñòè ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå
îáðàçöîâ, îáëó÷åííûõ ïîòîêàìè ðàçëè÷íîãî ñîñòàâà
ïëàçìû (ñì. ðèñ. 14).
Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ãëóáèíà èçìåíåíèÿ ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ ñóùåñòâåííî (â ñîòíè ðàç) ïðåâûøàåò ïðîåêòèâíûå ïðîáåãè èîíîâ. Ýôôåêò ãëóáèííîãî
óïðî÷íåíèÿ ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè ðàçëè÷íûõ âèäàõ îáëó÷åíèÿ.  ñëó÷àå ïëàçìåííîãî èìïóëüñíîãî âûñîêîäîçîâîãî îáëó÷åíèÿ îñíîâíóþ ðîëü èãðàþò èìïóëüñíûå
íàãðåâû ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ äî òåìïåðàòóð íàìíîãî
ïðåâûøàþùèõ òåìïåðàòóðó ïëàâëåíèÿ.
Îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò âûñîêîäîçîâàÿ èìïëàíòàöèÿ ìåòàëëîâ, êîòîðûå ìîãóò âûïîëíÿòü çàùèòíûå ôóíêöèè: àëþìèíèé, òèòàí, õðîì è äð. Íà ðèñ. 15
ïðèâåäåíû êîíöåíòðàöèîííûå çàâèñèìîñòè àëþìèíèÿ
ïî ãëóáèíå â îáðàçöàõ ìåäè [28]. Âèäíî, ÷òî ïðîíèêíî-
Ðèñ. 15. Êîíöåíòðàöèîííûå ïðîôèëè àëþìèíèÿ, èìïëàíòèðîâàííîãî â ìåäü, â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû îáëó÷åíèÿ.
Ýíåðãèÿ èîíî⠖2,7 êýÂ, ïëîòíîñòü èîííîãî òîêà –2,1 ìA/ñì2.
Âðåìÿ îáëó÷åíèÿ 15 ìèí. Ìàðêåðàìè íàíåñåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè, ëèíèÿìè – ðåçóëüòàòû êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ.
âåíèå àëþìèíèÿ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ïðåâûøàåò
ïðîåêòèâíûé ïðîáåã èîíîâ â ìåäè. Íà òîì æå ðèñóíêå
ïðèâåäåíû äàííûå ðàñ÷åòîâ äèôôóçèè èìïëàíòèðîâàííîé ïðèìåñè ñ ýíåðãèåé àêòèâàöèè 0,15 ýÂ. Î÷åâèäíî, ÷òî ìû èìååì äåëî ñ ñóùåñòâåííûì óñêîðåíèåì
äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ ïîä äåéñòâèåì îáëó÷åíèÿ.
Âûÿñíåíèå ýòèõ ìåõàíèçìîâ ìîæåò ïðèâåñòè ê ñîçäàíèþ íîâûõ ýôôåêòèâíûõ òåõíîëîãèé ìîäèôèêàöèè
ïîâåðõíîñòè.
ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ
 ðàáîòå ðàññìîòðåíû ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ èîííîãî è èîííîïëàçìåííîãî îáëó÷åíèÿ íà
ìîäèôèêàöèþ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ìàòåðèàëîâ. Íà
ïðèìåðå îðèãèíàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ïðîâîäèìûõ â
ÍÍÖ ÕÔÒÈ è ÍÔÒÖ, ïîêàçàíà ðîëü èîííîé áîìáàðäèðîâêè â òàêèõ ïðîöåññàõ, êàê èîííàÿ î÷èñòêà, èîííîå
àçîòèðîâàíèå, âûñîêîäîçîâàÿ èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ.
Ïðåäñòàâëåíû äàííûå ïî ýôôåêòó ãëóáèííîãî óïðî÷íåíèÿ è àíîìàëüíî ãëóáîêîãî èîííîãî ïðîíèêíîâåíèÿ.
Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîâåðõíîñòíîãî óïðî÷íåíèÿ è
óâåëè÷åíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè ïðè èîííîé èìïëàíòàöèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ èîííîãî îáëó÷åíèÿ ìîæíî ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü èçíîñîñòîéêîñòü è
ñðîê ñëóæáû èçäåëèé.
47
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß
Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî íàìåòèâøàÿñÿ â ïîñëåäíåå
âðåìÿ òåíäåíöèÿ ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ êîìïüþòåðíîãî
ìîäåëèðîâàíèÿ äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ ïîëó÷àåìûõ ïîêðûòèé, ïîëó÷èò ñâîå äàëüíåéøåå ðàçâèòèå ïðè
ðàçðàáîòêå ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñ
çàïðîãðàììèðîâàííûìè ñâîéñòâàìè. Â òî æå âðåìÿ
îñíîâíûå äîñòèæåíèÿ èîííûõ òåõíîëîãèé áóäóò
îïðåäåëÿòüñÿ óðîâíåì ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé â îáëàñòè âëèÿíèÿ èîííîé áîìáàðäèðîâêè íà
ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ. Äàëüíåéøåå óãëóáëåíèå òàêèõ èññëåäîâàíèé ìîãóò ïðèâåñòè
ê ñîçäàíèþ íîâûõ ýôôåêòèâíûõ òåõíîëîãèé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
1. Ensinger W. Low energy ion assist during deposition – an
effective tool for controlling thin film microstructure.//Nucl.
Instr. And Meth. In Phys.Rec. – 1997. – B 127/128.– Ð.
796-808.
2. Eckstein W. Computer Simulation of Ion-Solid Interactions.– Springer-Verlag, 1991.– 296 ð.
3. Mishin Y., Farkas D., Mehl M.J. Papaconstantopolous D.A. Interatomic potentials for monoatomic metals
from experimental data and ab initio calculations//Phys.
Rev.–2002.– Vol. 59, ¹ 5. – P. 3393-3407.
4.
Ìàð÷åíêî È.Ã., Ãóãëÿ À.Ã., Íåêëþäîâ È.Ì. Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå îáðàçîâàíèÿ àçîòèðîâàííûõ ñëîåâ â æåëåçå ïðè âûñîêîäîçíîé èîííîé èìïëàíòàöèè //
Âåñòíèê Õàðüêîâñêîãî íàöèîíàëüíîãî óíèâåðñèòåòà .
Ñåð. “ßäðà,÷àñòèöû, ïîëÿ”, ¹ 548. – 2002.– Âûï. 1
(17). – Ñ. 48-52
5. Áåëîóñ Â.À.. Èîííî-ïëàçìåííàÿ îáðàáîòêà ìàòåðèàëîâ
â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ ãàçîâîé ïëàçìû//Íîâ³
ìàòåð³àëè ³ òåõíîëî㳿 â ìåòàëóð㳿 òà ìàøèíîáóäóâàíí³.
–2001. – ¹ 1.– Ñ.80-85.
6. Àêñåíîâ È.È., Àíäðååâ À.À. è äð. Ïîêðûòèÿ, ïîëó÷åííûå êîíäåíñàöèåé ïëàçìåííûõ ïîòîêîâ â âàêóóìå//
ÓÔÆ.– 1979– Ò. 24, ¹ 4.– Ñ. 515–525.
7. Àêñåíîâ È.È., Õîðîøèõ Â.Ì. Ïîòîêè ÷àñòèö è ìàññîïåðåíîñ â âàêóóìíîé äóãå. – Ì.: ÖÍÈàòîìèíôîðì, 1984.–
78 ñ.
8.
Áåëîóñ Â.À., Êàðòìàçîâ Ã.Í., Ìèðîíîâ Â.Â., Ëåîíîâ Ñ.À., Ïàâëîâ Â.Ñ. Ïîðèñòîñòü êîíäåíñàòà õðîìà,
ïî-ëó÷àåìîãî èç ïëàçìû âàêóóìíîé äóãè // ÂÀÍÒ.–
1998.– Âûï. 3(69).– Ñ. 143–145.
9. Áåëîóñ Â.À. Èîííîå ðàñïûëåíèå ìàòåðèàëîâ â âûñîêîïëîòíûõ ïëàçìåííûõ ïîòîêàõ//Ðàäèîýëåêòðîíèêà è
èíôîðìàòèêà.– 2001.– ¹ 3.– Ñ. 27–31.
10. Íîñîâ Ã.È., Êàëèíèíà È.Å., .Áåëîóñ Â.À. Âëèÿíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ íà ìîäèôèêàöèþ ïîâåðõíîñòè ñïëàâà
íà îñíîâå öèðêîíèÿ //ÌÒÎÌ.– 2001.– ¹ 1 (12).– Ñ.36–
40.
11. Àíäðååâ À.À., Ñàáëåâ Ë.Ï.//Òðóäû óêðàèíñêîãî âàêóóìíîãî îáùåñòâà.– 1996.– Ò.2.– Ñ. 246.
12. Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È. Èññëåäîâàíèå ñòðóêòóðû è
ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñòàëåé 5ÕÍÌ, Ð6Ì5 è
÷óãóíà Ñ×-20, àçîòèðîâàííûõ â ïëàçìå äóãè ñ òåðìî-
ÐÀIJÀÖ²ÉͲ ÒÅÕÍÎËÎò¯ ÌÎÄÈÔ²ÊÀÖ²¯
ÏÎÂÅÐÕͲ. ². ²ÎÍÍÅ Î×ÈÙÅÍÍß ÒÀ
ÂÈÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀ ²ÌÏËÀÍÒÀÖ²ß
Â.À. Á³ëîóñ, Â.². Ëàïøèí, ².Ã. Ìàð÷åíêî, ².Ì. Íåêëþäîâ
Ó ðîáîò³ ðîçãëÿíóòî ô³çè÷í³ ìåõàí³çìè âïëèâó ³îííîãî òà
³îííî-ïëàçìîâîãî îïðîì³íåííÿ íà ìîäèô³êàö³þ ïîâåðõíåâèõ
øàð³â ìàòåð³àë³â. Íà ïðèêëàä³ îðèã³íàëüíèõ äîñë³äæåíü,
ïðîâåäåíèõ ó ÍÍÖ ÕÔÒ² òà ÍÔÒÖ, ïîêàçàíî ðîëü ³îííîãî
áîìáàðäóâàííÿ â òàêèõ ïðîöåñàõ, ÿê ³îííå î÷èùåííÿ, ³îííå
àçîòóâàííÿ, âèñîêîäîçîâà ³îííà ³ìïëàíòàö³ÿ. Ïðåäñòàâëåíî
äàí³ ç åôåêòó ãëèáèííîãî çì³öíåííÿ é àíîìàëüíî ãëèáîêîãî
³îííîãî ïðîíèêíåííÿ. Íàâåäåíî ðåçóëüòàòè ïîâåðõíåâîãî
çì³öíåííÿ ³ ï³äâèùåííÿ êîðîç³éíî¿ ñò³éêîñò³ ïðè ³îíí³é
³ìïëàíòàö³¿. Ïîêàçàíî, ùî çà äîïîìîãîþ ³îííîãî îïðîì³íåííÿ ìîæíà ³ñòîòíî ï³äâèùóâàòè çíîñîñò³éê³ñòü ³ òåðì³í
ñëóæáè âèðîá³â.
48
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
êàòîäîì//Òðóäû IX Ìåæíàöèîíàëüíîãî ñîâåùàíèÿ
“Ðàäèàöèîííàÿ ôèçèêà òâåðäîãî òåëà”.–Ò.2 Ñåâàñòîïîëü: ÍÈÈ ÏÌÒ ïðè ÌÃÈÝÌ (Óêðàèíà).–1999.– Ñ
779–783.
Belous V.A., Nosov G.I. Ion nitriding og steels in a system
with a thermoionic gas plasma source//Procedings of the 6th Int. Symp. on Trends snd New Applications of Thin
films (TATF’98).– Regensburg (Germany).– 1998.–Ð.307–
310.
Belous V.A., Nosov G.I. Proc. of the 6th Int. Simp. on
Trends and New Applications on Thin Films (TATF’98).–
Regensburg (Germanó).–1998. – Ð 303–306.
Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Êîñòðèöà Ò.Â., Ñàñèí Þ.Ä.,
Ñëàòèí Â.È., Ñíåæêî È.À. Èîííîå àçîòèðîâàíèå ñòàëåé
// Ïåðåäîâîé îïûò.–1990.– ¹ 12.–Ñ.26–28.
Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Àíòóôüåâ Þ.Ï., Äèêèé Í.Ï.,
Êîñòðèöà Ò.Â, Ïîäòûêàí Â.Ï., Ñàñèí Þ.Ä., Ñëàòèí Â.È.,
Ñíåæêî È.À. Àçîòèðîâàíèå ñòàëåé â àòìîñôåðå èîíèçèðîâàííîãî àçîòà.// Ïåðåäîâîé îïûò.–1990. – ¹12.–
Ñ. 22–26.
Àðòþõ Â.Ã., Áåëîóñ Â.À., Ðåêîâà Ë.Ï. Î âëèÿíèè èîííîé èìïëàíòàöèè èíåðòíûõ ãàçîâ íà êîððîçèîííóþ
ñòîéêîñòü ìåòàëëîâ. Îáçîð/Ì.: ÖÍÈÈ Àòîìèçäàò,
1991.– 39 ñ.
Riviere J.P., Meheust P., Villain J.P. Wear resistance after
low energy high-flux nitrogen implantation of AISI 304L
stainless steel// Surf. Coat. Techn.– 2002.– Vol. 158–159.–
– P. 647–652.
Riviere J.P., Meheust P., Villain J.P. ets. High current density nitrogen implantation of an austenitic stainless steel /
/Surf. Coat. Techn. –2002.– Vol. 158–159.– P. 99–104
Ëàâðåíòüåâ Â.È., Ïîãðåáíÿê À.Ä. Ïðèêëàäíûå àñïåêòû âûñîêîäîçîâîé èîííîé èìïëàíòàöèè ìåòàëëîâ//
ÔÕÎÌ. – 1997.– ¹ 6.– C. 5–15.
Vatori R. Trans AIME //J. Lubric Technol. –1983. – Vol.
4.– P.534–554.
Ïèêðî Ò., Ïèðñè Ï. Èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ//Â ìèðå
íàóêè. – 1985.– ¹ 5.– Ñ. 50–58.
Òîìàøåâ Í.Ä., Òàøëûêîâ È.Ñ., Æèëüöîâà Î.À. è äð.,
Êîððîçèîííîå ïîâåäåíèå ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñïëàâà
Ti-Pd, ïîëó÷åííîãî ïóòåì ïîëèýíåðãåòè÷åñêîé èìïëàíòàöèè èîíîâ Pd+ â òèòàí// Çàøèòà ìåòàëëîâ.–1987.–Ò.25,
¹ 5.– Ñ. 791–795
Ratcliffe P.J. and Collins R.A. Thermal oxidation of ion
implanted copper//Phys. Stat. Sol. (a).– 1988.– Vol.108,
¹ 2.– P. 537–543.
Dearnaley G. U.K Patent application GB. 2.058.146 A.
Inf. c l. c 23F 15/00. 1983.
Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Ãðèöûíà Â.Ò., Ïåðøèí Â.Ä.
Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÐÔÝÑ äëÿ àíàëèçà ïîâåðõíîñòè
α–U îáëó÷åííîãî èîíàìè Al//ÂÀÍÒ.– 2000.– ¹ 4(78).–
Ñ. 368 – 369.
Ëàïøèí Â.È., Íåêëþäîâ È.Ì., Òåðåøèí Â.È. Èñïîëüçîâàíèå èìïóëüñíûõ ïîòîêîâ ïëàçìû â ïðîöåññàõ
ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ// ÂÀÍÒ. – 2002.
–Âûï. 3(82). – C. 133–145.
Safonov V.I., Marchenko I.G. Ti and Al layers formation
during low energy ion-plasma treatment of copper// Surface
and Coatings Technology.–2002.– Vol. 158–159.– P. 105–
107. ION BEAM TECHNOLOGIES OF SURFACE
MODIFICATION. I. ION CLEANING AND
HIGH DOSE IMPLANTATION
V.A. Bilous, V.I. Lapshin, I.G. Marchenko, I.M. Nekludov
Paper presents the review of physical mechanism of ion beam
influence on surface modification. The role of ion bombardment
on ion cleaning, ion nitriding, high dose ion implantation was
shown. The examples of original investigations in this field of
National Science Center “Kharkov Institute of Physics and
Technology” and Scientific Center of Physical Technologies
(Kharkov) are given. The effect of high depth ion penetration is
discussed. Surface hardness and corrosion resistance are shown
to improve during ion implantation. Sufficient improvement of
surface wear resistance and lifetime of products after ion beam
treatment are demonstrated.
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1