1.4 Разработка технологического процесса упрочнения на установке вита.

1.4.1 Физико-химические основы ионной имплантации

Ионная имплантация.

Ионная имплантация представляет собой процесс внедрения легирующего элемента в поверхностный слой детали в результате бомбардировки ее ускоренными ионами. Ионная имплантация приводит к увеличению концентрации дефектов (межузельных атомов, дислокаций и др.) в поверхностном слое облучаемого материала. Возникающие при этом дефекты кристаллической решетки принято называть радиационными. В результате обработанная поверхность подвергается дислокационному и дисперсионному упрочнению; также упрочняющие воздействия оказывают возникающие в имплантированном материале микронапряжения сжатия.

Ионная имплантация сопровождается распылением материала подложки. Распыление вызывает изменение топографии (рельефа) обрабатываемой поверхности в основном засчет стравливания вершин микровыступов. В общем случае ионная имплантация вызывает снижение шероховатости, если исходная шероховатость поверхности была высокой (R_a 1,6 мкм), и ее повышение, если исходная шероховатость поверхности была низкой (R_a 1,6 мкм)10.

Сущность метода ионной имплантации

Сущность ионной имплантации (ионного легирования или ионно-имплантационной металлургии) заключается в бомбардировке имплантируемым веществом подложки (поверхности детали); при этом ионизированные атомы или молекулы легирующего вещества, внедряясь в приповерхностный слой, «застре­вают» в кристаллической решетке мишени, образуют твердые растворы или новые химические соединения. Для пучков с типичными энергиями 10-500 кэВ величина пробега достигает одного мкм. Как уже указывалось, вследствие влияния большого числа факторов, эпюра распределения внедренного вещества в поверхность близка по форме гауссовскому распределению.

Внедрение ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры. Выбитые из узлов решетки атомы вещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедрен­ных межузельных атомов. Эти же дефекты возникают при застревании ионов между узлами решетки. Скопление таких дефектов образует дислокации и целые дислокационные скопления (рисунок 5.2).

Общая разупорядоченность кристаллического строения (вплоть до перехода вещества в аморфное состояние) решетки при ионной бомбардировке называется радиационным повреждением. Исследования показывают, что радиационные повреждения могут изменить в положительную сторону механические, электрические и другие свойства металла поверхностного слоя, но могут и снижать эксплуатационные свойства деталей. В последнем случае делается отжиг; температурная активация ускоряет

По сущности протекающих процессов метод ионного легирования не зависит от пределов химической растворимости, от температуры в процессе имплантации и от концентрации химических элементов (в том числе имплантируемого вещества) на поверхности мишени. Таким образом можно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которых невозможно достичь даже при использовании высоких температур.

С технологической точки зрения метод ионного легирования (имплантации) обладает рядом преимуществ перед диффузией и плазменным напылением [4]:

1. менее длителен процесс легирования при однородности распределения имплантированного вещества по поверхности;

2. возможна точная дозировка легирующего (имплантируемого) элемента;

3. введение вещества возможно с практически неограниченной «растворимостью» в твердом состоянии;

4. константы диффузии при ионной имплантации практически не влияют на образование сплава;

5. отсутствует проблема адгезии, так как нет поверхности раздела;

6. реализуется высокая контролируемость и воспроизводимость;

7. размеры детали практически не изменяются;

8. вводится очень малое количество вещества, поэтому при необходимости можно применять достаточно дорогое вещество, без существенного удорожания технологии;

9. процесс реализуется при низких температурах;

10.имеют место простые методы защиты поверхностей, не требующих обработки ионной бомбардировкой;

11 .многократная имплантация с изменяющимся ускоряющим напряжением позволяет осуществлять нужное распределение имплантированного элемента по глубине поверхностного слоя.

Установка для имплантации состоит из следующих основных блоков (рисунок 5.3): источника ионов, экстрактора ионов (устройства, вытягивающего ионы из источника и ускоряющего их), ускорителя ионов, системы электростатического отклонения, системы сканирования пучка, приемного устройства, где монтируется обрабатываемая деталь (мишень). Ионы создаются в специальной камере с ускорителем путем ионизации газообразных, жидких или твердых исходных веществ. Полученные ионы (плазма) вытягиваются из камеры электрическим полем. Затем пучок ионов фокусируется и разгоняется в ускорителе до требуемой энергии. Далее ионы направляются в приемную камеру, где установлена мишень. Однородность бомбардирования осуществляется сканированием, для чего на выходе из ускорителя создается система отклонения пучка. Дозу имплантации осуществляют с помощью интегратора тока. Важным элементом в конструкции таких установок является вакуумная система. Для надежной работы всех узлов установки необходимо иметь высокий вакуум – 10^-4 –

10^-5 Па.

Варианты осуществления ионной имплантации.

Метод ионной имплантации

Метод основан на использовании специальных источников ионов [18,26-27]. В источнике создается полностью ионизированная плазма, затем с помощью ионно-оптических систем ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются до энергии в диапазоне 5-500 кэВ (рис. 2.6). ускоренные ионы внедряются под поверхности на глубину порядка 1 мкм и менее. Преимущество ионной имплантации перед другими методами введения примеси в твердые тела состоит в универсальности процесса, позволяющего ввести элемент в любой материал в строго контролируемом количестве, а также задавать его распределение по глубине. Однородность имплантации по площади обеспечивается сканированием ионного пучка или смещением детали; поэтому площадь имплантации ограничивается только временем и размерами вакуумной камеры. Типичные условия имплантации таковы: энергия ионов 0,1 мэВ; плотность ионного пучка 10 мкА/см²; площадь обрабатываемой поверхности в пределах 1 см²; дозы имплантации 10¹⁶ ион/см², время имплантации в зависимости от дозы от 3-х до 30-ти минут.

Ионы с одинаковой энергией, имплантируемое в твердое тело, останавливаются в некотором интервале глубин, что обусловлено статистическим разбросом энергетических потерь. Там где требуется большая однородность, необходимо использовать ряд разных значений энергии, что за счет перекрывания зон дает плоский профиль концентрации. Распределение можно дополнительно видоизменять. Используя термодиффузию или радиационно-стимулированную диффузию.

Методом ионной имплантации можно существенно изменить приповерхностные механические свойства металла; можно более чем на порядок величины изменить коэффициент трения, износостойкость и твердость.

Механизм подобных механических эффектов сложен и еще не очень ясен. Кроме таких, явно химических явлений, как образование интерметаллимческих соединений, видимо важно также напряжение сжатия, возникающее в результате имплантации. Так, степень износа почти не зависит от типа имплантируемых атомов В; N; Ar ; Мо.

Необходимо отметить , что, как и в случае коррозии, механическое воздействие имплантации часто оказывает распространение гораздо глубже пробега ионов.

Вопросы влияния ионной имплантации на механические свойства подробно рассматривались в работе [32]. Указано на то , что твердость и механические свойства определяются сопротивлением поверхности пластической деформации и поэтому увеличиваются при повышении предела текучести. Ионной имплантацией можно вводить точечные дефекты и примесные атомы бора, углерода.

По сущности протекающих процессов метод ионного легирования не зависит от пределов химической растворимости, от температуры в процессе имплантации и от концентрации химических элементов в том числе имплантируемого вещества на поверхности мишени. С технологической точки зрения метод ионного легирования имплантации обладает рядом преимуществ перед диффузией, сплавлением, эпитаксией, плзменным напылением.