Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИОННЫХ
ПОТОКОВ ИЗ ПЛАЗМЫ В УСЛОВИЯХ ЭРОЗИИ ЭМИССИОНОЙ ГРАНИЦЫ 14
-
Исследования по формированию сильноточных пучков заряженных частиц в плазмонаполненных системах 15
-
Плазменно-иммерсионная имплантация 16
-
Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и осаждение покрытий с использованием плазмы вакуумной дуги 20
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 22
-
Установка для проведения исследований 22
-
Импульсно-периодический источник ионных пучков и плазмы «Радуга 5» на основе непрерывной вакуумной дуги 26
-
Электромагнитный плазменный фильтр для очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции 33
-
Диагностика параметров ионного пучка и плазмы 42
2.5. Оборудование для исследования свойств материалов и покрытий 43
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ,
СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ КОРОТКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ
К ОБРАЗЦАМ, ПОГРУЖЁННЫМ В ПОТОК ПЛАЗМЫ 48
-
Физическая модель 48
-
Проводящие мишени 53
-
Диэлектрические мишени 63
-
Использование биполярных импульсов смещения 67
-
Экспериментальное исследование энергетических спектров потоков ионов, формирующихся в плазмонаполненной системе при короткоимпульсных потенциалах смещения 70
-
Применение короткоимпульсных потенциалов смещения для случая абляционной плазмы 77
3.7. Численное моделирование процессов 80
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ В
ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОМ ПОДХОДЕ 88
-
Концепция плазменно-иммерсионного времяпролётного спектрометра зарядового и массового состава плазмы 89
-
Исследование влияния амплитуды импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов 92
-
Исследование влияния длительности импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов 96
-
Исследование возможности улучшения характеристик плазменно-иммерсионного времяпролётного спектрометра 99
-
Анализ влияния различных факторов на разрешающую способность плазменно-иммерсионного времяпролётного спектрометра 106
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРОТКОИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
ИОНОВ (ВКПИИИ) И (ИЛИ) ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ по
5.1. Метод высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсиошюй имплантации
ионов и (или) осаждения покрытий 110
-
Режимы ВКПИИИ и области применимости 117
-
Исследования закономерностей изменения поверхностных свойств материалов при различных режимах ионной и плазменной обработки 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
ЛИТЕРАТУРА 136
Введение к работе
Ионные пучки и плазменные потоки находят всё более широкое применение в технологиях модификации поверхностных свойств материалов. Так, например, ионная имплантация (ИИ) в промышленных масштабах используется для управляемого изменения свойств полупроводников. В то же время применение ионной имплантации для модификации свойств металлических и диэлектрических материалов ограничивается малой толщиной модифицируемого слоя и сложностью технической реализации обработки промышленных изделий с развитой поверхностью.
Практически значимые результаты применения ионной имплантации для направленного изменения свойств материалов появились в результате развития метода плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ, или ПИ3) [1]. Сущность метода заключается в погружении изделия в плазму, подаче на него отрицательного потенциала смещения, ускорении ионов из плазмы и их имплантации в поверхность твёрдого тела. Преимущества метода ПИ3 по сравнению с обычной ИИ обусловлены, прежде всего, простотой реализации технологического процесса и возможностью почти равномерной ионной обработки деталей сложных форм, в том числе и внутренних поверхностей протяжённых отверстий. Для реализации ПИ3, в основном, используется плазма различных газов. Металлическая плазма непрерывной вакуумной дуги, обеспечивающая возможность ионной имплантации многих элементов периодической системы и их композиций, в силу ряда причин пока не получила должного развития в плазменно-иммерсионном подходе. Ограничения связаны, как с наличием в плазме вакуумной дуги значительного количества микрокапель, существенно снижающих эффективность ионной имплантации, так и с ростом покрытий, обусловленным взаимодействием металлической плазмы с поверхностью мишени в промежутках между импульсами потенциала смещения.
Применение длинных импульсов значительных по амплитуде потенциалов смещения на образцы, погружённые в плазму, сопровождается уходом
5 эмиссионной границы на значительные расстояния, что нивелирует эффект трёхмерной обработки изделий в режиме ПИИИ.
Использование относительно коротких по длительности импульсов потенциалов смещения (0,1-^-10 мкс) на образцы, погружённые в поток плазмы вакуумной дуги, при условии варьирования коэффициента заполнения импульса в широких пределах (0,1-Ю,99) может при определённых условиях обеспечить реализацию режимов имплантации ионов металлов, сплавов, ионную имплантацию с компенсацией распыления поверхности осаждением плазмы и ионно-ассистированное осаждение металлической плазмы.
Исследование процессов формирования ионных потоков из плазмы короткоимпульсными потенциалами смещения, энергетического спектра ускоренных ионов и динамики формирования ускоряющего промежутка у поверхности диэлектрических и проводящих мишеней, погружённых в поток плотной металлической плазмы, представляет интерес для многих прикладных задач. К этим задачам относится, например, нанесение вакуумно-дуговым методом ал-мазоподобных покрытий, где необходимо обеспечить энергию ионов в несколько сотен электронвольт, сохраняя при этом диэлектрические свойства осаждаемого алмазоподобного покрытия. Актуальной также является задача разработки достаточно простого метода ионной и плазменной обработки диэлектриков, не требующего применения ионных имплантеров и сложных систем перемещения мишеней с развитой поверхностью.
Таким образом, численное и экспериментальное исследование закономерностей формирования ионных потоков короткоимпульсными потенциалами смещения в плазменно-иммерсионном подходе, изучение динамики изменения энергетического спектра ионов, разработка и исследование методов коротко-импульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной имплантации и (или) осаждения покрытий на основе вакуумно-дугового разряда и методов измерения зарядового и массового состава ионов в плазменно-иммерсионном подходе, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в установлении основных закономерностей процессов формирования ускоряющего зазора вблизи поверхности потенциального электрода, погружённого в поток плотной металлической плазмы и характеристик формируемого ионного потока для широкого диапазона изменения параметров плазмы (концентрации и скорости плазменного потока, зарядового и массового состава ионов) и системы извлечения ионов (длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, диэлектрических свойств мишени, геометрических параметров и др.), а также в разработке новых методов ионной и плазменной обработки материалов и диагностики плазмы.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение комплекса численных и экспериментальных исследований, к основным из которых можно отнести следующие:
Численные и экспериментальные исследования эффективности плазменного фильтра жалюзийной конструкции и возможностей оптимизации его параметров.
Численные и экспериментальные исследования динамики формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погружённого в поток плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда, динамики изменения потенциала смещения на поверхности мишени.
Численные и экспериментальные времяпролётные исследования динамики изменения энергетического спектра ионов, ускоряемых в плазменно-иммерсионном подходе из плазмы вакуумной дуги.
Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Проведено моделирование магнитных полей системы ваккумно-дуговой испаритель - плазменный фильтр с целью оптимизации распределения магнитных полей. Экспериментально показано, что применение дополнительной магнитной катушки обеспечивает возмож- ность снижения тока по электродам электромагнитного плазменного фильтра жалюзийного типа в 3 раза с соответствующим снижением энергозатрат при одновременном увеличении эффективности прохождения плазменного потока через фильтр на 30%. Экспериментально и численным моделированием установлены закономерности динамики изменения ускоряющего зазора и энергетического спектра ионов в зависимости от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности, частоты следования и параметров плазменного потока.
Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Показано, что использование высокой частоты следования импульсов (fx—> 1) обеспечивает не только увеличение интенсивности ионной обработки мишени, но и позволяет применять короткие по длительности (порядка десятков и сотен наносекунд) импульсы потенциала смещения без существенного снижения эффективности использования ускоряющего потенциала.
Предложены способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов. Экспериментально показана возможность исследования зарядового и массового состава плазмы практически любых элементов. Экспериментально исследовано влияние длительности и амплитуды импульса ускоряющего напряжения, геометрических и других параметров системы на чувствительность и разрешающую способность спектрометра. Определены условия, обеспечивающие наилучшее разрешение спектрометра.
Показана возможность использования метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов для реализации режимов ионно-ассистированного осаждения плазмы, высококонцентрационной ионной имплантации и «чистой» ионной имплантации, а также для реализации всех этапов технологического процесса ионной и плазменной обработки материалов, включая очистку, активацию поверхности, обеспечение необходимого температурного режима, формирование переходного слоя и осаждения малодефектных покрытий с ионным ассистированием на любые материалы, включая диэлектрики.
На основании комплекса проведённых исследований создана установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов, включающая в себя импульсно-периодический источник ионов и плазмы «Радуга-5», 6 вакуумно-дуговых испарителей, оснащённых модернизированными электромагнитными плазменными фильтрами, высокочастотный короткоимпульсный генератор потенциалов отрицательного смещения. Основные результаты работы, выносимые на защиту:
Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра, позволяющая повысить эффективность транспортировки плазменного потока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза.
Зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени.
Метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов.
Применения метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов.
Способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов.
Установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов.
Научная и практическая значимость работы;
Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра позволила повысить эффективность транспортировки плазменного потока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза.
Полученные зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени вносят сущеествен-ный вклад в создание общей картины процессов формирования потоков ионов в плазменно-иммерсионном подходе и позволяют сформулировать условия реализации технологических процессов модификации поверхности проводящих и диэлектрических материалов.
Предложенный и разработанный метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов позволяет реализовать режимы ионной имплантации, высококонцентрационной ионной имплантации, а также ионно-ассистированного осаждения покрытий из плазмы как на проводящие, так и на диэлектрические мишени.
Предложенный и разработанный способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов позволяет исследовать зарядовый и массовый состав плазмы практически любых материалов.
5. Созданная установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов обеспечивает реализацию широкого спектра технологических режимов модификации поверхностных свойств материалов ионной имплантацией и плазменным осаждением малодефектных покрытий.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 149 страниц, работа содержит 72 рисунка и одну таблицу. Список цитируемой литературы включает 136 источников.
В первой главе на основе литературных данных даётся обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погружённого в плазму, способов применения плазменно-иммерсионного подхода для реализации различных режимов обработки материала. Отмечается, что процессы, протекающие в короткий промежуток времени после подачи импульса отрицательного потенциала смещения на мишень, не рассматриваются детально. Кратко рассмотрены также наиболее известные способы реализации плазменно-иммерсионного подхода с использованием плазмы газов, а также металлической плазмы вакуумной дуги. Обсуждаются известные модели, описывающие формирование и релаксацию ускоряющего промежутка и полученные результаты.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, методики проведения измерений и методики проведения исследований. Описываются приборы и методы измерения потенциала на поверхности образца, энергетического спектра ионов, поверхностных характеристик и свойств материалов и покрытий. Поскольку большая часть экспериментов в работе проведена с использованием плазмы вакуумной дуги, очищенной от микрокапельной фракции, одним из ключевых элементов экспериментальной установки является плазменный фильтр жалюзийного типа. В главе описываются основные принципы работы плазменного фильтра, приводятся результаты моделирования магнитных полей в области фильтра, а также методики и результаты исследования его эффективности. Показано, что оптимизация магнитных полей в области фильтра позволяет существенно снизить потребляемую мощность при увеличении эффективности прохождения металлической плазмы на 30%.
В третьей главе описывается физическая модель формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погружённого в металлическую плазму, имеющую направленную скорость. Рассматриваются особенности процессов для проводящих и диэлектрических мишеней. Анализируется влияние длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, а также параметров плазмы и характеристик мишени. Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния длительности, амплитуды и частоты следования импульсов потенциала смещения на динамику изменения потенциала на поверхности проводящих и диэлектрических мишеней и формирования потока ускоренных ионов. Экспериментально показана возможность использования биполярного синусоидального потенциала смещения для реализации плазменно-иммерсионного подхода применительно к плазме вакуумно-дугового разряда. Приводятся результаты времяпролётного исследования энергетического спектра ионов, ускоренных вблизи поверхности потенциального электрода, погружённого в плазму. Показано существенное влияние длительности импульса ускоряющего напряжения на среднюю энергию ионов. В главе приводятся также результаты численного моделирования процессов, сопровождающих формирование ускоряющего промежутка. Сравниваются экспериментальные и расчётные результаты.
Четвёртая глава посвящена описанию концепции нового способа измерения спектра ионов и спектрометра зарядового и массового состава плазмы на его основе. Метод предусматривает совместное использование плазменно-иммерсионного формирование ионного потока и времяпролётное разделение ионов по массам и зарядовым состояниям. Приводятся основные закономерности исследования состава плазмы с использованием времяпролётной методики.
Описываются методики и результаты исследования влияния амплитуды и длительности импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов. Рассматриваются факторы, влияющие на характеристики спектрометра, обсуждается степень их влияния, а также область применимости спектрометра для исследования зарядового и массового состава плазмы различных материалов. Обсуждаются способы оптимизации конструкции спектрометра, методы повышения его разрешающей способности. Приводятся результаты, демонстрирующие возможность повышения разрешающей способности с использованием различных методик.
В пятой главе рассматриваются возможности применения метода корот-коимпульсной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов с различным коэффициентом заполнения импульсов для реализации ионного ассистирования осаждения покрытий, ионной обработки материала без осаждения покрытий с компенсацией ионного распыления осаждением плазмы и «чистой» ионной имплантации в материалы различной проводимости. Представлена диаграмма, характеризующая эффективность применения метода для обработки диэлектрических мишеней. На примере медной мишени построена диаграмма, определяющая области реализации различных режимов обработки металлических мишеней с учётом коэффициента распыления материала мишени. Представлены результаты экспериментальных исследований зависимости поверхностных свойств керамических и металлических мишеней после их обработки от амплитуды и коэффициента заполнения импульсов потенциала смещения. Показано существенное улучшение поверхностных свойств материалов с увеличением амплитуды потенциала смещения до 2 кВ и с ростом коэффициента заполнения импульсов до 0,8.
В заключении кратко приводятся основные результаты работы, обосновывается достоверность полученных результатов исследований, отмечается личный вклад автора и выражается благодарность научному руководителю и сотрудникам института за помощь в работе.
13 Апробация работы:
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й, 6-й и 7-й международных конференциях по модификации свойств материалов пучками заряженных частиц и плазменными потоками (Томск, Россия, 2000, 2002, 2004); международном совещании PBII2003(San Antonio, USA, 2003); международной конференции ION2004 (Kazimierz Dolny, Польша, 2004); 8-м международном совещании по плазменно-иммерсионной имплантации (Chengdu, Китай, 2005); международной конференции по ионным источникам ICIS'05 (Caen, Франция, 2005); международной конференции по модификации поверхности материалов ионными пучками SMMIB'05 (Kusadasi, Турция); международной конференции по Физике и химии высокоэнергетических систем (Томск, Россия, 2005); международной конференции по взаимодействию излучения с твёрдым телом (Минск, Беларусь, 2004); конференции по наноструктурам и наноматериалам (Tsukuba, Япония, 2005).
Похожие диссертации на Формирование ионных потоков из плазмы короткоимпульсными потенциалами смещения
