Лекція 11. Технологічні процеси іонно-плазмової розмірної обробки. Різновиди обробки

Іонно-плазмова обробка заснована на взаємодії іонів інших енергетичних частинок, отриманих в низькотемпературній плазмі, з поверхнею твердого тіла. Результатом взаємодії потоку частинок в розрідженому середовищі з поверхнею є обложена плівка з частини видаленої речовини або перетворена поверхня. Це дає можливість застосовувати процеси іонно-плазмової обробки для нанесення плівок різноманітних матеріалів, очищення, поліровки поверхні, труїть і формування прецизійних топологічних малюнків у виробництві напівпровідникових приладів і мікросхем, резисторів, конденсаторів, фотошаблонів, п`єзокварцевих приладів і інш. Застосування іонно-плазмової обробки розповсюджується і на інші області техніки, наприклад, оптику і машинобудування, де вона використовується для отримання полірованих поверхонь, зміцнення інструменту, захисту поверхонь зносо- і корозійностійкими покриттями.

Низькотемпературна газова низького тиску плазма, використовувана в даних процесах, є слабо іонізований газ, що складається з суміші стабільних і збуджених атомів і молекул, продуктів дисоціації молекул-радикалів, електронів, позитивно і негативно заряджених іонів.

Плазма утворюється при зовнішній енергетичній дії на речовину за допомогою різного роду газових розрядів в сильних постійних і змінних електричних і постійних магнітних полях. Характерна частота змінного електричного поля, вживаного для утворення плазми, коливається в широких межах - від одиниць кілогерц до одиниць гігагерц. Магнітне поле забезпечує утримання плазми в заданому просторі і, збільшуючи довжину шляху руху електронів, підвищує ступінь іонізації газу.

Основним процесом створення активних частинок плазми інертних газів є іонізація. При утворенні плазми багатоатомного газу основними є процеси збудження і дисоціації. Число іонів, що утворюються, відносне мало. Дисоціація молекул речовини забезпечує освіту високо хімічно активних продуктів - радикалів, здатних енергійно вступати в гетерогенні хімічні реакції з матеріалами, утворюючи легко летючі з'єднання, що видаляються відкачуванням. Зміною параметрів електричного розряду» того, що формує плазму, і виду газу можна вправляти складом хімічно активних частинок, тобто управляти дією на матеріали. Іонізована складова частинок плазми - легко відбирається і прискорюється електричним полем до необхідних енергій. Важливим чинником, що визначає перевагу використання іонів, є можливість управління їх рухом, тобто спрямованістю їх дії на матеріали.

Основу іонно-плазмової обробки складає дія на матеріали «енергетичних» активних і неактивних частинок плазми. Поняття «енергетичні» розуміють як високу кінетичну або потенційну енергію частинок. При фізичній взаємодії кінетична енергія частинок є основною і може перевищувати теплову на декілька порядків величини. Частинки набувають здатності при зіткненні з поверхнею матеріалу фізично розпилювати його.

Висока потенційна енергія частинок визначається наявністю ненасичених хімічних зв'язків» Взаємодія таких частинок з оброблюваним матеріалом веде до формування хімічних сполук.

Дані процеси іонно-плазмової обробки обмежуються поверхнею і приповерхневими шарами матеріалів оскільки кінетична енергія частинок не перевищує декілька кілоелектронвольт (10^-16 - 10^-15 Дж). При таких енергіях товщина поверхневого шару, в якому здійснюється взаємодія енергетичних частинок з матеріалами, не перевищує декількох десятків атомних шарів у поверхні (декількох нанометрів).

Ефективність протікання процесу фізичного розпилювання і процесу хімічної взаємодії слабо залежить від того заряджена частинка чи ні. Визначальним чинником є її енергія - кінетична або потенційна, оскільки вже на відстані декілька десятих нанометра поблизу оброблюваної поверхні відбувається нейтралізація іонів електронами, що вириваються з матеріалу електричним полем іонів.

Процеси іонно-плазмової обробки систематизують за двома основними ознаками:

• природі взаємодії енергетичних частинок плазми з матеріалами (фізичне і хімічне);

• способу здійснення взаємодії (іонне і плазмове).

Фізична взаємодія характеризується обміном енергій і імпульсом в пружних зіткненнях атомних частинок і приводить до розпилювання матеріалу з поверхні.

Хімічне - визначається не пружними зіткненнями з обміном електронами між атомами і приводить до хімічних перетворень оброблюваного матеріалу.

При фізичному розпилюванні всі енергетичні зв'язки атома з іншими атомами розриваються, і він може віддалитися з поверхні.

При хімічному - енергетична дія направлена на електронні зв'язки атома в матеріалі. Ослаблення, розривши і встановлення нових зв'язків може приводити до видалення частинок матеріалу з поверхні у вигляді з'єднань з атомами енергетичних частинок.

У даних процесах неможливо повністю розділити кінетику фізичної і хімічної взаємодії. Кожний з процесів, фізичний або хімічний, несе в собі елементи іншого. Проте в реальних процесах іонно-плазмової обробки завжди можна виділити переважний механізм, що визначає ефективність їх протікання.

Друга ознака систематизації визначається відмінністю технологічних характеристик іонно-плазмової обробки при різних способах її здійснення. Якщо матеріал піддається дії всього набору частинок плазми - збуджених атомів і молекул, радикалів, позитивно і негативно заряджених іонів, електронів, а також ультрафіолетовому і тепловому опромінювання з плазми - це плазмова обробка.

Якщо оброблюваний матеріал знаходиться поза плазмою і обробляється тільки іонами, що відбираються з плазми, - це іонна обробка. Природа енергетичних іонів визначає чи буде взаємодія фізичною або хімічною.

Різним способам властиві характерні діапазони тиску в зоні обробки: плазмовому - вищий, іонному - більш нижчий.

Плазмова обробка. Суть методу формоутворення поверхонь полягає в тому, що плазму (повністю іонізований газ), Т=10 000-30 000, що має, З, направляють на оброблювану поверхню заготовки. Плазму отримують в плазмових головках (рис.25).

Рис. 25. Схема плазмової головки

Дуговий розряд 3 збуджується між вольфрамовим електродом 5 і мідним електродом 4, виконаним у вигляді труби і охолоджуваним проточною водою. У трубу подають газ (аргон, азот і т.д.) або суміш газів. Обжимаючи дуговий розряд, газ при з'єднанні з електродами іонізується і виходить з сопла головки, у вигляді яскравого струменя, що світиться, 2, яка прямує на оброблювану заготовку 1.

Плазмовим методом обробляють будь-які матеріали: прошивають отвори, розрізають заготовки, вирізують їх з листового матеріалу, стругають, точать. При обробці отворів, розрізанні і вирізуванні головку ставлять перпендикулярно поверхні заготовки, при струганні і точінні – під кутом 40-60. Плазмові головки застосовують для зварки, паяння, наплавлення і створення захисних покриттів на деталях.