Формирование высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой энергии на основе плазмы вакуумной дуги высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой энергии на основе плазмы вакуумной дуги

Методы направленного изменения свойств материалов при
использовании пучков заряженных частиц получили широкое практическое
распространение как при решении научных, так и технологических задач [1-
6]. Одним из наиболее значимых и востребованных подходов является метод
ионной имплантации, поскольку в процессе радиационного воздействия на
исходный материал возможна не только модификация его структурно-
фазовых свойств, но и существенное изменение элементного состава
поверхностных и приповерхностных слоев [7-10]. В отличие от технологий
нанесения тонкопленочных покрытий, например, методами вакуумного
напыления или химического осаждения из паровой фазы, при ионной
имплантации отсутствуют проблемы, связанные с недостаточной адгезией и
высокими внутренними напряжениями в сформированном покрытии,
приводящими к его частичному или полному отслоению [11].
К настоящему моменту развилось несколько основных подходов к
ионной имплантации, различающихся принципами формирования ионных
потоков и их ускорения [12, 13].
Традиционный метод ионной имплантации заключается в
формировании ионных пучков в ускорителях с многоаппертурными
сеточными системами [14-19]. К достоинствам метода можно отнести
возможность формирования пучков ионов с высокими энергиями и,
соответственно, проективными пробегами. В тоже время, при облучении в
режиме ионно-лучевой имплантации основные трудности связаны с
необходимостью разработки сложной системы перемещения и вращения
образцов, для обеспечения их однородного легирования.
В последние десятилетия активно развивался альтернативный подход к
формированию ускоренных ионных потоков, получивший название
плазменно-иммерсионной имплантации ионов [20-28]. В основе подхода
лежит принцип ускорения ионов в высоковольтном слое пространственного
разделения зарядов, формирующегося при приложении к мишени,
погруженной в плазму, отрицательного потенциала смещения. Тот факт, что
ускорение ионов с плазменно-эмиссионной границы происходит нормально в
каждой точке поверхности, привел к развитию так называемого метода
трехмерной плазменно-иммерсионной ионной имплантации, используемого
при обработке деталей сложной формы. К настоящему моменту оба подхода
как ионно-лучевая, так и плазменно-иммерсионная имплантации широко
используются в полупроводниковой промышленности и имеют свои особые
области применения [174, 175].
Развитие метода ионной имплантации при модификации материалов
различного функционального назначения привело к необходимости
существенного увеличения доз ионного облучения и плотностей ионного тока
по сравнению с ионной имплантацией в полупроводники [7, 8]. Один из
методов формирования сильноточных пучков ионов металлов основан на их
экстракции из плазмы вакуумно-дугового разряда и последующем ускорении.
Плазма вакуумной дуги обладает рядом существенных преимуществ: высокая
плотность ионного тока насыщения из плазмы, присутствие многозарядных
ионов, наличие направленной скорости ионного потока. Однако,
существенный недостаток вакуумно-дугового разряда связан с одновременной
эмиссией как плазмы, так и неионизированных частей катодного материала,
находящихся в жидком или твердом состоянии, называемых макрочастицами
[30-39]. Их наличие приводит к загрязнению поверхности имплантируемой
мишени и требует использования специальных систем фильтрации, как
правило приводящих к уменьшению плотности ионного тока [40-46].
Использование ионного ускорителя на основе плазмы непрерывного
вакуумно-дугового разряда позволило формировать пучки ионов металлов с
плотностями ионного тока на уровне нескольких мА/см2 с энергией ионов до
120 кэВ (с учетом зарядового состояния) и достигать флюенса ионного
облучения порядка 1019 ион/см2. Высокие плотности тока в совокупности с
повышением флюенса облучения позволили продемонстрировать
возможность формирования интерметаллидных систем Ti-Al, Ni-Al и Ni-Ti на
глубинах, значительно превышающих проективный пробег ионов в среде, в
том числе за счет диффузионного механизма массопереноса под действием
ионного пучка высокой интенсивности [118, 119]. Существенного увеличения
глубины модификации материалов при воздействии ионных пучков с
плотностями тока в диапазоне от единиц до десятка мА/см2 удалось достичь и
в случае использования ионов азота [120, 121]. Помимо формирования
протяженных ионно-легированных слоев, авторы работ показали, что при
сильноточной ионной имплантации энергия ионов не является ключевым
фактором, определяющим глубину проникновения имплантируемой примеси,
а повышенные плотности ионного тока приводили к значительной
интенсификации диффузионных процессов. Важно отметить, что в работе
[121] наблюдалось насыщение кривой толщины ионно-модифицированного
слоя при росте плотности ионного тока от 4 до 6 мА/см 2, однако возможное
насыщение может быть связано и с низкой энергией ионов азота (100 эВ).
В тоже время, несмотря на наблюдаемое увеличение глубины ионного
легирования при высоких плотностях ионного тока и низких энергиях ионов в
пучке, до настоящего момента осталась неисследованной область плотностей
ионного тока в диапазоне от десятков мА/см2 до нескольких А/см2. На
основании теоретических предсказаний авторы работы [176] показали, что при
воздействии низкоэнергетического импульсного пучка ионов с плотностью
тока порядка 0.06–0.6 А/см2 возможна реализация не диффузионного
механизма проникновения легирующей примеси на глубины, многократно
превышающие пробег ионов в веществе. Таким образом, актуальной
представляется тема диссертационной работы, связанная с разработкой
принципиально нового подхода к формированию очищенных от макрочастиц
сильноточных пучков ионов металлов с плотностями тока, достигающими
десятков-сотен мА/см2 и исследованием закономерностей модификации
элементного состава, микроструктуры и макроскопических свойств
материалов при высокоинтенсивной имплантации.
Цель диссертационной работы заключается в развитии метода
плазменно-иммерсионного формирования высокоинтенсивных пучков ионов
металлов с плотностями ионного тока достигающими десятков-сотен мА/см2
при ускоряющих напряжениях в несколько единиц кВ с использованием
плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда, исследовании процессов
транспортировки и фокусировки таких пучков в условиях динамической
компенсации их пространственного заряда, а также исследовании воздействия
таких пучков на элементный, структурно-фазовый состав и макроскопические
свойства поверхностных и приповерхностных слоев различных материалов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Сформулированы принципы плазменно-иммерсионного
формирования высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой энергии на
основе плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда. Определены
основные закономерности формирования высокоинтенсивных ионных
потоков, транспортировки и фокусировки пучков в зависимости от геометрии
фокусирующей системы, условий нейтрализации их объемного заряда и
параметров ускоряющего напряжения.
2. Показано, что совместное применение вакуумно-дугового источника
с тангенциальным к поверхности катода магнитным полем, импульсно-
периодических потенциалов смещения отрицательной полярности и
оригинальной системы фильтрации микрокапельной фракции на основе
дискового затеняющего электрода и свойств ионной оптики позволяет
добиться полной очистки фокальной области высокоинтенсивного ионного
пучка от макрочастиц вакуумно-дугового разряда.
3. Показано, что условия нейтрализации высокоинтенсивного пучка
ионов металлов можно обеспечить за счет предварительной инжекции
вакуумно-дуговой плазмы в пространство дрейфа или наработки пучковой
плазмы в процессе ионизации остаточного газа ионами пучка в рабочей
камере. Установлено, что при баллистической фокусировке ионных пучков в
системе с малой кривизной фокусирующего электрода, условия
нейтрализации объемного заряда динамически изменяются как во времени,
так и в пространстве.
4. Впервые показана возможность применения пучков ионов металлов с
плотностью тока от 10 до 200 мА/см2, с энергией ионов в единицы кэВ для
высокоинтенсивного ионного легирования металлов и сплавов. При
облучении мишеней из никеля, титана и циркониевого сплава
высокоинтенсивными пучками ионов алюминия и титана сформированы
протяженные ионно-легированные слои с толщинами от единиц до
нескольких десятков мкм.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработан метод генерации высокоинтенсивных пучков ионов
металлов на основе плазмы вакуумной дуги, позволяющий при напряжениях
на уровне единиц кВ формировать баллистически сфокусированные ионные
пучки с током до 1.2 А и плотностью ионного тока до 390 мА/см2.
2. Предложен эффективный способ очистки поверхности мишени от
микрокапельной фракции вакуумной дуги при совместном применении
вакуумно-дугового испарителя с тангенциальным магнитным полем
напряженностью 150 Гс и коротко-импульсных высокочастотных
отрицательных потенциалов смещения (7 мкс, 105 имп/с, -2 кВ). Показана
возможность полной очистки высокоинтенсивных, баллистически
сфокусированных пучков ионов металлов низкой энергии при минимальных
потерях ионного тока с использованием системы фильтрации типа «солнечное
затмение».
3. Воздействие высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой
энергии с плотностями ионного тока, достигающими десятков-сотен мА/см2
приводит к формированию ионно-модифицированных слоев с толщинами,
многократно превышающими проективный пробег ионов низкой энергии. На
примере систем Ni-Al, Zr-Ti и Ti-Al показана возможность получения
легированных слоев с максимальной толщиной, достигающей 6, 16 и 50 мкм,
соответственно. Температурный режим облучения и плотность ионного тока
существенно влияют на фазовый состав и формирование интерметаллидных
систем или твердых растворов в ионно-модифицированных слоях.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем
диссертации составляет 158 страниц, работа содержит 56 рисунков и 6 таблиц.
Список цитируемой литературы включает 177 источников.
В первой главе, на основе литературных данных, проведен обзор
опубликованных работ и проанализировано современное состояние дел по
формированию сильноточных пучков ионов, преимущественно на основе
плазмы вакуумно-дугового разряда. Подробно рассмотрены процессы
формирования плазменного потока катодным пятном вакуумно-дугового
разряда и микрокапельной фракции. Рассмотрены методы очистки потока
вакуумно-дуговой плазмы от макрочастиц как за счет использования
электромагнитных систем фильтрации (плазменные фильтры), так и
альтернативных подходов. Представлен обзор работ, посвященных разработке
и исследованию источников сильноточных пучков ионов металлов и газов на
основе импульсно-периодической и непрерывной вакуумной дуги, и
газоразрядных систем. Рассмотрены особенности и некоторые
закономерности пучков и плазменно-иммерсионной имплантации
проводящих материалов.
Вторая глава диссертационной работы посвящена описанию физических
принципов плазменно-иммерсионного формирования высокоинтенсивных
пучков ионов. Описаны конструкция экспериментальной установки и системы
формирования высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой энергии на
основе плазмы вакуумно-дугового разряда. Представлены экспериментальные
результаты исследования процессов комбинированного уменьшения
микрокапельной фракции вакуумной дуги на поверхности мишени за счет
снижения общей эмиссии макрочастиц из катодного пятна и их характерных
размеров, и повышения эффективности их отражения, испарения и
распыления при приложении к мишени коротко-импульсных
высокочастотных потенциалов смещения. Показана возможность полной
очистки сфокусированного ионного пучка от микрокапельной фракции при
использовании затеняющего область фокусировки ионного пучка сплошного
дискового электрода (система типа «солнечное затмение»). Представлены
закономерности формирования ускоренных ионных потоков вблизи
мелкоструктурного сеточного электрода. Рассмотрены процессы
транспортировки высокоинтенсивных пучков ионов металлов в зависимости
от параметров ускоряющего напряжения и условий нейтрализации их
пространственного заряда в вакуумно-дуговой плазме и при наработке
пучковой плазмы. Обнаружены эффекты дестабилизации транспортировки
ионных пучков, вплоть до полного развала.
Третья глава посвящена исследованию процессов баллистической
фокусировки в зависимости от параметров ускоряющего потенциала
смещения, параметров плазмы и условий нейтрализации его объемного заряда.
Показано, что действие нескомпенсированного пространственного заряда
приводит к возникновению сил радиального расталкивания и
соответствующему уширению ионного пучка. Продемонстрировано, что
динамическое нарушение условий нейтрализации пространственного заряда
пучка, по мере увеличения его плотности, приводит не только к уширению
пучка, но и смещению максимума плотности ионного тока за фокальную
область, определяемую кривизной сеточного экстрагирующего электрода.
Показано, что конечное время выхода плазменных ионов из области пучка
приводит к сложной динамике фокусировки высокоинтенсивного ионного
пучка. Методами численного моделирования подтверждены эффекты
запирания ионного пучка под действием некомпенсированного объемного
заряда, вплоть до образования виртуального анода в пространстве
транспортировки пучка.
Четвертая глава работы посвящена исследованию закономерностей
воздействия высокоинтенсивных пучков ионов на различные материалы.
Представленные результаты демонстрируют возможность глубинного
ионного легирования титана, никеля и циркониевого сплава, с формированием
ионно-модифицированных слоев с толщинами, многократно превышающим
пробеги ионов в соответствующей среде. Представлены результаты
исследования поверхностного и пространственного распределения
имплантированных атомов. Методами рентгеноструктурного анализа и
просвечивающей электронной микроскопии показана возможность
формирования интерметаллидных системы, типа Ti-Al, Zr-Ti на глубинах в
десятки мкм. Представлены данные об изменении некоторых
эксплуатационных свойств интерметаллидных слоев, на примере системы Zr-
Ti.
В заключении кратко изложены основные результаты работы,
отмечается личный вклад автора и выражается благодарность научному
руководителю и сотрудникам лаборатории за помощь в работе.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Комбинация предварительной инжекции вакуумно-дуговой плазмы в
эквипотенциальное пространство дрейфа с последующей плазменно-
иммерсионной экстракцией ионов вблизи сеточного криволинейного
потенциального электрода, транспортировкой и баллистической
фокусировкой ионных потоков в сочетании с затеняющим электродом,
препятствующим осаждению макрочастиц вакуумной дуги в область
фокусировки ионного пучка, обеспечивает формирование
высокоинтенсивных, очищенных от макрочастиц, пучков ионов низкой
энергии с плотностями тока в десятки-сотни мА/см2. Например, в случае
алюминиевой вакуумно-дуговой плазмы при использовании сеточной
системы экстракции с радиусом кривизны 7.5 см, плотности ионного тока
насыщения из плазмы 5 мА/см2, амплитуде ускоряющего напряжения 3 кВ,
частоте следования импульсов 105 имп/с и длительности импульса 4 мкс
формируется пучок ионов с током 1.15 А и плотностью 390 мА/см2.
2. Эффективность транспортировки высокоинтенсивного пучка ионов
металлов низкой энергии в эквипотенциальном пространстве дрейфа при
баллистической фокусировке определяется компенсацией его
пространственного заряда холодными электронами плазмы и временем
выхода плазменных ионов из объема пучка. Динамическая декомпенсация,
связанная с постепенным уходом плазменных электронов из пучка в
ускоряющий зазор, приводит к развитию неустойчивости, срыву
транспортировки с образованием виртуального анода, как и в случае
отсутствия предварительной инжекции плазмы, при этом вероятность такого
срыва возрастает с увеличением длительности импульса и ионного тока в
пучке. Например, при использовании сеточной системы экстракции с
радиусом кривизны 13 см, амплитуде ускоряющего напряжения 1.5 кВ,
частоте следования импульсов 103 имп/с, длительности импульса 40 мкс и
амплитуде ионного тока 1 А, вероятность срыва транспортировки пучка
повышается по мере увеличения длительности импульса ионного тока от 15
до 40 мкс.
3. Возникающий в процессе баллистической фокусировки
высокоинтенсивного пучка ионов металлов низкой энергии продольный
градиент концентрации приводит к неравномерной компенсации
пространственного заряда по длине пучка. Наличие области, в которой
плотность пучка ионов многократно превосходит плотность предварительно
инжектированной вакуумно-дуговой плазмы, обуславливает возникновение
радиальных расталкивающих сил из-за недокомпенсации объемного заряда
пучка, приводящих к изменению угла его сходимости, уширению и смещению
максимума плотности ионного тока за геометрический фокус системы.
4. Высокоинтенсивная имплантация пучков ионов металлов с
плотностями ионного тока в диапазоне десятков-сотен мА/см2 обеспечивает
возможность формирования ионно-модифицированных слоев с толщинами, на
порядки превышающими проективный пробег ионов низкой энергии. На
примере систем Ni-Al, Zr-Ti и Ti-Al показана возможность формирования
интерметаллидных фаз и твердых растворов в ионно-легированных слоях на
глубинах до 6, 16 и 50 мкм, соответственно.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
19 и 20 Международных конференциях по модификации поверхности ионными
пучками (Чиангмай, Таиланд, 2015, Лиссабон, Португалия, 2017), 7
Международной научно-практической конференции «Физико-технические
проблемы в науке, промышленности и медицине» (Томск, 2015), 13-14
конференциях по модификации материалов пучками заряженных частиц и
плазменными потоками (Томск, 2016, 2018), 12 Международной конференции по
взаимодействию излучений с твердым телом (Минск, Беларусь, 2017), 22
Международной конференции по технологии ионной имплантации (Вюрцбург,
Германия, 2018).
По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 24
печатные работы: 14 статей в рецензируемых изданиях, из которых 7 статей в
журналах 1 и 2 квартилей; 10 публикаций в трудах международных
конференций.
Результаты работы использовались при выполнении НИР в рамках
гранта Российского научного фонда (№ 17-19-01169) и конкурсной части
госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации
(3.2415.2017/4.6, № 3.7245.2017/6.7).
ГЛАВА I