Способ ионной имплантации

 

Изобретение может быть использовано для модификации поверхности изделий из металлов и сплавов. Цель изобретения повышение качества обработки и достигается путем формирования совпадающих по глубине профилей распределения примесей. Для этого подачей импульсного напряжения на катодный промежуток инициируют слаботочный вакуумно - дуговой разряд, затем подачей напряжения между анодом и коллектором осуществляют экстракцию и ускорение полов плазмы дугового разряда и облучают мишень. По зависимости средней зарядности каждого сорта ионов пучка от величины тока дугового разряда устанавливают ток разряда в зависимости от соотношения массовых и порядковых номеров ионов пучка атомов мишени таким, что средние проективные пробеги ионов различных сортов в мишени совпадают. В процессе двухэлементной имплантации для получения совпадающих по глубине профилей распределения примесей необходимо обеспечить совпадение максимумов результирующих профилей распределения. Совпадение средних пробегов ионов C и Ti в облучаемом материале и совпадение профилей распределения примесей C и Ti позволяет существенно увеличить в легированной области содержание соединения TiC, обладающего хорошими механическими свойствами. Повышение процентного содержания карбида титана в образце приводит к повышению качества обработки материала. 3 ил.

Изобретение относится к области радиационного материаловедения и предназначено для модификации поверхности изделий из металлов и сплавов. Цель изобретения - повышение качества обработки за счет формирования совпадающих по глубине профилей распределения примесей. По предлагаемому способу подачей импульсного напряжения на катодный промежуток инициируют слаботочный вакуумно-дуговой разряд, затем подачей напряжения между анодом и коллектором осуществляют экстракцию и ускорение ионов из плазмы дугового разряда и облучают мишень. По предварительно определенной зависимости средней зарядности каждого сорта ионов пучка = Z_k (α_k - доля ионов с зарядностью от 1 до максимальной m) от величины тока дугового разряда устанавливают ток разряда в зависимости от соотношения массовых (M_i, M_а) и порядковых номеров (N_i, N_а) ионов пучка атомов мишени таким, что средние проективные пробеги ионов различных сортов в мишени совпадают. В процессе двухэлементной имплантации для получения совпадающих по глубине профилей распределения примесей необходимо обеспечить совпадение максимумов результирующих профилей распределения Для этого необходимо выбирать такой ток на двухэлементном катоде Me_A Me_В, чтобы наблюдалось равенство средних проективных пробегов частиц каждого сорта () = (Z₂). (1) Для случая ионов легких элементов с энергией 40 кэВ < E_i < 100 кэВ выражение для среднего проективного пробега имеет следующий вид: () = · C(N²_i^/3+N²_a^/3)^1/2·(N_i·N_a)U, (2) где ρ - плотность вещества матрицы мишени; C - коэффициент пропорциональности, зависящий от соотношения ; N_i, M_i, E_i - атомный номер, масса и энергия (КЭВ) иона; N_a, M_a - атомный номер и масса атома мишени. При имплантации тяжелых ионов в широком диапазоне элементов и энергиях 40 кэВ < E_i < 200 кэВ справедливо следующее соотношение: () = · · · · U. (3) Совпадение средних проективных пробегов при двухэлементной имплантации ионов достигается при следующих соотношениях средних зарядностей:
а) оба элемента - тяжелые ионы
= · · ;
б) один элемент тяжелый ион, а другой - легкий,
= C · .
Калибровка аппаратуры осуществляется путем определения длины среднего проективного пробега с помощью метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР). По данным пробега (формулы 2 и 3) определяются величины средней зарядности ионов в пучке. Средние зарядности ионов различного сорта могут быть определены также методом масс-спектрометрии и время - пролетным методом. В экспериментах обнаружено, что в широком диапазоне значений тока дугового разряда пучок ионов углерода на 95% состоит из ионов зарядности Z = 1. Для других элементов установлено, что с увеличением тока дуги разряда концентрации ионов высокой зарядности увеличивается, и низкой - уменьшается так, что в целом величина средней зарядности возрастает с увеличение тока дугового разряда. Кроме того, средняя зарядность ионов возрастает с увеличением атомного номера материала катода. Предварительное изменение зависимости средней зарядности ионов каждого сорта от тока дугового разряда позволяет в соответствии с вышеприведенными соотношениями выбрать величину тока дуги такой, что после ускорения в диоде и облучения мишени средние проективные пробеги ионов различного сорта совпадут. На фиг. 1 показана зависимость средней зарядности ионов титана и углерода от тока дуги; на фиг.2 - функциональная схема устройства для имплантации; на фиг.3 - принципиальная схема блока управления током дугового разряда. Устройство содержит катод 1, диэлектрическое кольцо 2, поджигающий электрод 3, анод-экспандер 4, мелкоструктурная сетка 5, мишень 6, коллектор 7, трансформатор 8 поджигающего импульса, тиристорный ключ 9, накопительная емкость 10 поджигающего импульса, источник питания поджига 11, накопительная емкость 12 цепи дугового разряда, источник питания 13 основного дугового разряда, блок управления 14 током вакуумной дуги, источник питания 15 ускоряющего промежутка, разделительная емкость 16, делитель напряжения 17, сглаживающий фильтр 18, пиковый детектор 19, программируемый амплитудный анализатор импульсов 20, буферный регистр 21 управления магнитными пускателями, буферный регистр 22 управления тиристорными ключами, генератор запускающих импульсов 23, схема совпадения 24, источник питания магнитными пускателями 25, магнитные пускатели 26, резистор цепи питания дугового разряда kR (k = 1, 2, 4,...)27. Накопительная емкость 12 цепи дугового разряда соединена с одной стороны с анодом-экспандером 4, а с другой через блок управления 14 током вакуумной дуги с катодом 1, электрически разделенным посредством диэлектрического кольца 2 с поджигающим электродом 3. Катод 1 соединен с поджигающим электродом 3 через вторичную обмотку трансформатора 8 поджигающего импульса, первичная обмотка которого через тиристорный ключ 9 соединена с накопительной емкостью 10 поджигающего импульса, подсоединенной к источнику питания поджига 11. Выходное отверстие анода-экспандера 4 закрыто мелкоструктурной сеткой 5 с высокой прозрачностью К > 90%. Коллектор 7 подключен к источнику питания 15 управляющего напряжения и через разделительную емкость 16 к резистивному делителю 17. В низковольтную цепь делителя напряжения 17 через сглаживающий регистр 18 и пиковый детектор 19 включен программируемый амплитудный анализатор импульсов 20. Интерфейсная часть анализатора 20 подключена к буферным регистрам 21 и 22. Выходы буферного регистра 21 управления магнитными пускателями подключены к магнитным пускателям 26 резисторов цепи питания дугового разряда 27. Выход буферного регистра 22 управления тиристорным ключом подключен к одному входу схемы совпадения 24. К другому входу схемы совпадения 24 подключен генератор запускающих импульсов 23. Выход схемы совпадения 24 подключен к управляющему электроду тиристорного ключа 9. Способ имплантации осуществляется следующим образом. От генератора импульсов 23 запускающий импульс поступает на схему совпадения 24. При подаче разрешающего сигнала с буферного регистра 22, представляющего собой N триггеров, запускающий импульс поступает на тиристор 9, последний открывается и предварительно заряженный от источника питания 11 емкостной накопитель 10 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора поджигающего импульса 6. Напряжение от вторичной обмотки импульсного трансформатора 8 поступает к катоду 1 и поджигающему электроду 3. После пробоя промежутка катод - поджигающий электрод по поверхности диэлектрического кольца 2 расширяющаяся плазма достигает поверхности анода-экспандера 4 и разряд начинает гореть между анодом 4 и катодом 1. Катодные пятна на поверхности катода 1 обеспечивают генерацию плазмы из материала расходуемого катода 1. Основной разряд между анодом 4 и катодом 1 поддерживается за счет энергии, запасенной в емкостном накопителе 12 от источника питания 13 основного дугового разряда. Ток дугового разряда на катоде 1 устанавливается с помощью блока управления 14 током дуги. При выходе плазмы за пределы мелкоструктуpной сетки 5 ионы под действием ускоряющего потенциала коллектора 7 ускоряются. Высоковольтный источник ускоряющего напряжения 15 подключен к ускоряющему электроду 7 и разделительной емкости 16. Регистрация импульсов тока ускоренных ионов осуществляется с помощью делителя напряжения 17, включенного в низковольтную цепь разделительной емкости 16. Учитывая, что ток ускоренных из дугового разряда ионов имеет высокочастотную составляющую, для сглаживания сигнала делителя напряжения 17 сигнал поступает в фильтр низких частот 18. С выхода фильтра 18 сигнал подается в пиковый детектор 19, который вырабатывает сигнал, пропорциональный амплитуде импульса тока ускоренных ионов. Сигналы от пикового детектора 19 поступают в программируемый амплитудный анализатор импульсов 20, который контролирует величину набранной дозы внедренной примеси. В соответствии с выбранными рабочими значениями токов вакуумной дуги анализатор 20 через буферный регистр управления током дуги 14 устанавливают соответствующий ток дугового разряда на катоде 1. Кроме того, в соответствии с заданным режимом имплантации программируемый анализатор импульсов 10 осуществляет управление через буферный регистр 22 тиристорным ключом схемы совпадения, которая подключает цепь поджига дуги промежутка катод - поджигающий электрод. Рассмотрим пример двухэлементной имплантации на основе катоды из TiC для случая Ме≡ Тi. В данном случае согласно выражению средние проектные пробеги ионов С⁺ и Tiⁿ⁺ совпадут при следующем соотношении зарядностей этих элементов:
= C · =
= C(2,25) · · = 2,6
По фиг. 1 величина тока дугового разряда, необходимого для выполнения соотношения Z_Ti/Z_c = 2,6, равна I_о = 22 А. Такой ток дугового разряда на катоде 1 устанавливается с помощью блока управления током дугового разряда. Питание дугового разряда в экспериментах осуществлялось от блока питания БП-100 с напряжением до 8 кВ. Источник питания 15 ускоряющего промежутка обеспечивал разность потенциалов ускоряющего промежутка до 50 кВ. В качестве программируемого амплитудного анализатора импульсов используется анализатор фирмы "Интертехник", Франция, марки IN - 96В Советским аналогом является анализатор АМА-02-Ф. Таким образом, при средней зарядности ионов углерода Z = 1 и ионов титана Z = 2,6 энергия, приобретаемая этими ионами, будет 50 кэВ и 130 мэВ соответственно. Совпадение средних проективных пробегов этих ионов в облучаемом материале и соответственно совпадение профилей распределения примесей С и Ti позволяет существенно увеличить в легированной области содержание соединения TiC, обладающего хорошими механическими свойствами. В свою очередь, повышение процентного содержания карбида титана в образце приводит к повышению качества обработки материала, что, в свою очередь, повышает эффективность ионной имплантации. Кроме того, данный способ ионной имплантации может быть использован для любой двухкомпонентной ионной имплантации на основе катодов из проводящих материалов с одновременным внедрением примесей с совпадающими профилями их распределения по глубине. Процентное содержание в легированной области каждого сорта ионов может регулироваться в широких пределах за счет выбора исходного состава катода. В качестве катода может быть использован любой проводящий материал на основе химического соединения или композита, приготовленного СВС методом порошковой технологии.

Формула изобретения

СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ путем периодического импульсного формирования плазмы с помощью вакуумно-дугового разряда на катоде, экстракции, ускорения ионов из плазмы дугового разряда, облучения мишени, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет формирования совпадающих по глубине профилей распределения примесей, первоначально измеряют зависимость среднего заряда ионов пучка от тока дугового разряда, затем ток дугового разряда на катоде устанавливают в зависимости от соотношения массовых и порядковых номеров ионов пучка и атомов мишени так, что средние проективные пробеги ионов в мишени равны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3