Author
pufu-madalin
View
370
Download
8
Embed Size (px)
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
1/39
C A P I T O L U L 9
PRELUCRAREA DIMENSIONAL CU JET DE IONI
9.1. Consideraii generale
Posibilitatea de utilizare a electronilor i ionilor dirijai la
realizarea anumitor tipuri de prelucrri (prelevri sau depuneri de anumite
materiale) a fost semnalat nc din secolul al XIX-lea, de ctre rove, care a
pus n eviden faptul c la descrcarea electric n vid ntre doi electrozi, apare
o pierdere de mas la catod!"#!,!$%&!,!''%!,!''!,!'*!,!'%!,!%**!,!%*%!+
plicaia fenomenelor care au loc n timpul bombardamentului ionic a
fost emis la nceputul secolului al XX-lea, c.nd s-a pus, de altfel, problema
utilizrii jetului ionic la aplicaii practice industriale+
/ensitile mari de putere, obinute prin focalizarea jetului de ioni permit,
astzi, folosirea cu succes a acestuia la eecutarea unor operaii de 0urire,
frezare, sudare, depuneri, acoperiri, prelevri de straturi subiri etc+
9.. Me!anis"#l $rel#!r%rii !# &e' de ioni
1imilar cu prelucrarea cu fascicul de electroni, $rel#!rarea !# &e' de ioni
are la baz emisia de ctre catod a electronilor care ionizeaz moleculele de 0az
( ar0on, enon etc+) ulterior, ionii astfel obinui fiind puternic accelerai de ctre
un c.mp electric+
1uccesiunea fenomenelor, care definesc formarea jetului de ioni, poate fi
analizat cu ajutorul modelului lui 2e34ell+ 5onform acestui model (fi0+ +$),care descrie parcursul unui ion accelerat, acesta, sosind cu vitez ridicat la
suprafaa piesei, ptrunde n ad.ncime p.n c.nd ciocnete un atom+ /ac
ener0ia ionului accelerat este nc suficient de mare, n urma ciocnirii cu atomul
(din materialul piesei), l proiecteaz pe acesta n interiorul materialului+ 6tomul
deplasat ciocnete, la r.ndul su, atomii situai pe traiectoria lui i are loc o
succesiune n lan de astfel de aciuni, p.n c.nd se ajun0e la nivelul suprafeei
115
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
2/39
piesei supuse bombardamentului+
/ac atomii deplasai au nc o ener0ie corespunztoare, acetia ciocnesc atomii
din stratul superficial i i proiecteaz n afara piesei, sub form de atomi de
material evaporat, av.nd astfel loc prelevarea unei anumite cantiti de material
din pies+
7n acelai timp, ionul incident accelerat parcur0e o nou distan n pies
i au loc noi ciocniri primare, p.n c.nd ener0ia ionului scade, astfel nc.t nu
mai poate determina deplasri ale atomilor ciocnii 8rebuie menionat faptul c,
n funcie de ener0ia ionilor incideni, interaciunile dintre acetia i atomii
materialului supus bombardamentului pot fi aciuni de trei tipuri, i anume9- n cazul c.nd ionii accelerai au ener0ii mai mari de $:e;, este anii0+ +$+ ?ecanismul i fenomenele care definesc
formarea jetului de ioni
- n cazul c.nd ionii accelerai au ener0ii medii ($:%+++$:" e;), acetia,
mpreun cu electronii care nconjoar atomii, formeaz un ecran n jurul
nucleului=
- n cazul c.nd ionii accelerai au o ener0ie relativ redus ($:*+++ $:%e;),
ciocnirile dintre acetia i electroni sunt similare cu ciocnirile dintre dou sfere
dure, satisfc.nd astfel cerinele impuse de bombardamentul ionic+ fectele
116
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
3/39
bombardamentului ionic pot fi de natur fizic sau c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
4/39
>i0+ +'+ ;ariaia randamentului de pulverizare cu ener0ia de ionizare
6a cum se observ, pentru a realiza ndeprtarea de material din piesa
supus prelucrrii, se impune o valoarea a ener0iei de pra0 p, caracteristic
materialului respective, care urmeaz a fi prelucrat cu jet de ioni+
5reterea, n continuare, a ener0iei ionilor p.n la valoarea maim ma,
implic creterea rapid a randamentului de pulverizare ($ Bp ":), dup care
creterea n continuare a ener0iei de accelerare a ionilor (Jma) implic o
scdere lent a randamentului de pulverizare+ 6cest fenomen se eplic prin
faptul c, la valori mari ale ener0iei de accelerare, ionii ptrund mult n
ad.ncimea materialului i se reduce probabilitatea de ciocnire a atomilor din
stratul superficial, care s fie apoi ejectai+
?rimea randamentului de pulverizare depinde nemijlocit de un0
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
5/39
>i0+ +*+ ;ariaia randamentului de
pulverizare n funcie de un0
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
6/39
urmtoarele elemente componente (fi0+ +%)9 un tub de sticl P3re 1, n care
este n0lobat camera de ionizare 2, anodul 3 i catodul 4, cuplai la tensiunea de
accelerare i care, constructiv, formeaz camera de accelerare 5+
Netul ionic 6 trece prin camera de bombardare 7, n care presiunea are
valori de $:-+++$:-& torri, i acioneaz asupra piesei de prelucrat #, aezat pe un
dispozitiv de manevrare +
istena vidului naintat n camera de bombardare se impune pentru
ani
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
7/39
de prelucrare cu jeturi de ioni sunt similare celor prezentate la instalaiile de
prelucrare cu fascicule de electroni (sisteme de focalizare, defleie etc+)+
/e re0ul, toate instalaiile de prelucrare cu jeturi de ioni sunt construite
n concordan cu tipul de prelucrare, care urmeaz a fi eecutat+
9./. Te+nologii de $rel#!rare !# &e' de ioni
Procedeul s-a dovedit a fi deosebit de eficient la prelucrarea materialelor
dure i etradure, cum sunt carburile metalice dar i pentru materialele
compozite+
5ondiiile de desfurare a acestor tipuri de prelucrri sunt similare cucele prezentate la utilizarea fasciculului de electroni+ 5ele mai utilizate
prelucrri se prezint succint n continuare+
9./.1. De$#nerea de s'ra'#ri s#*iri
On domeniu, n care jetul de ioni i-a 0sit o lar0 aplicabilitate,
este cel al depunerilor de micro i nanostraturi, denumit i $la!area ioni!%-proces fizic de depunere prin vaporizare+ 7n acest caz, stratul pe care se face
depunerea este supus unui bombardament cu jet de ioni cu ener0ie mare, inta i
sursa de evaporare fiind catodul i respectiv, anodul+ 5atodul se afl la tensiune
nalt, iar anodul este le0at la pm.nt+ombardamentul ionic al suprafeei
implic dou procese9 pulverizarea i implantarea+
Prinpulverizare
se obin suprafee curate, lipsite de oizi i alte impuriti,determin.ndu-se un contact direct ntre atomii stratului i cei ai filmului depus,
fapt ce duce la o mai bun aderare a filmului pe suportul de depunere+
Implantareacreeaz straturi cu o compoziie i structur 0radat , c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
8/39
ordinul sutelor de amperi n circuitul anodului+ 6tomii emii prin evaporare sunt
injectai n plasm+ M parte dintre aceti atomi sunt ionizai i accelerai spre
catod, ener0ia lor cinetic fiind de peste $:: ori mai mare dec.t ener0ia cinetic
a atomilor pulverizai+
/eoarece fenomenul de pulverizare continu i n timpul depunerii
filmului, trebuie ca rata de depunere s fie superioar ratei de pulverizare ionic,
pentru a fi posibil creterea n 0rosime a filmului de depunere+
Qa placarea ionic nu mai sunt necesare tratamente complee ale
suprafeei substratului (ca n cazul depunerii prin pulverizare)+ On alt avantaj al
placrii ionice l constituie faptul c nu apar restricii privind natura materialelorce pot fi depuse+ 7n 0eneral, metoda poate fi aplicat doar materialelor care pot fi
evaporate fr s se descompun din punct de vedere c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
9/39
0radat n concentraie i compoziie, numit zon de trecere substrat - film sau
interfa+ 8ensiunile mecanice, care apar n timpul depunerii filmului, sunt
micorate prin acest 0radient, obin.ndu-se astfel o foarte bun adezivitate pe
substrat+
7n urma ciocnirilor cu suprafaa catodului, atomii neutri de 0az inert pot fi
ncorporai n film, dar acest efect depinde de presiune i temperatur i
afecteaz, n
special, eficiena de pulverizare i adezivitatea filmului+ 6ceti atomi pot fi
eliminai prin nclzirea substratului n timpul sau dup realizarea depunerii+
7nainte de a atin0e substratul, atomii evaporai sufer c.teva ciocniri cumoleculele de 0az deoarece, n condiii date, drumul liber mijlociu este mai mic
dec.t distana surs - substrat+ ?uli dintre atomi sunt astfel antrenai i
mprii, nc.t ei pot atin0e toate re0iunile substratului, obin.ndu-se o acoperire
relativ uniform, indiferent de compleitatea 0eometriei suprafeei+
Procesele de nucleaie i de cretere a filmelor de substrat sunt puternic
influenate de prezena descrcrii n 0az inert+ombardamentul ionic i ener0ia cinetic mare a atomilor de metal ce se
depun, mresc densitatea de centre de nucleaie i micoreaz dimensiunile
cristalelor, mbuntind calitatea filmelor depuse+
7n 0eneral, operaia de placare ionic are urmtoarele etape9
- se videaz sistemul la presiunea limit necesar ( T $:-% torr)=
-se introduce ar0on p.n la o presiune de $:
-'
+++"@$:
-'
torr) i se amorseazdescrcarea n 0az la o tensiune de '+++" S; i o densitate de curent catodic de
:,*+++:, m6!cm'+ Proba este curat prin bombardament ionic o perioad de
timp, care depinde de natura i starea suprafeei substratului=
- se ridic ncet temperatura sursei de vapori la temperatura de evaporare
a materialului i obturatorul dintre surs i substrat este nlturat, permi.nd
depunerea materialului evaporat pe suprafaa substratului=
- se formeaz interfaa prin stabilirea unui ec
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
10/39
pulverizare i rata de depunere=
- se continu procesul de depunere pentru obinerea 0rosimii dorite+
Parametrii principali ai procesului de placare ionic, necesari a fi
controlai n vederea obinerii de depuneri reproductibile i cu proprietile
dorite, sunt9 presiunea 0azelor reziduale (vidul limit)= presiunea ar0onului= rata
de depunere= distana surs - substrat= potenialul electronic al substratului=
densitatea curentului catodic i durata de curire prin pulverizare+
M variant a acestui procedeu este placarea ionic reactiv+ 6ceast
placare const n introducerea n camera de descrcare a unui 0az reactiv
( oi0en,
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
11/39
>i0+ ++ Instalaie pentru placarea ionic reactiv9
$-sursa de ioni= '- electrodul de accelerare= *- sistemul de focalizare= %- deflector="- materialul dedepunere= - support= &- jetul de ioni= #- vapori= -piesa de acoperit= $:-suportul port-pies=$$-sistemul
de concentrare a jetului de ioni
7n incinta de prelucrare (bombardare) a instalaiei se 0sete i sistemul
de concentrare $$, a jetului de ioni+
/atorit adezivitii deosebite a filmelor depuse i posibilitii de aacoperi suprafee complee, placarea ionic s-a dovedit util n aproape toate
domeniile de aplicare a proceselor de depunere9 protecia suprafeelor metalice
mpotriva coroziunii, oidrii etc= realizarea de contacte electrice cu proprieti
superioare= lubrificaie solid, acoperiri cu plumb, staniu etc= placri iniiale
pentru acoperiri prin electroliz= obinerea de suprafee reflectante (depuneri de
ar0int pe oel)= mbuntirea coeficientului de uzur= durificarea suprafeelor+5aurmare, procedeul permite realizarea, n bune condiii, a depunerilor din
construcia circuitelor inte0rate, a rezistenelor din componena microcircuitelor
etc+
125
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
12/39
9./.. Prel#!rarea s'ra'#rilor s#*iri
Netul ionic poate fi utilizat n cazul c.nd se impune prelevarea unor
pelicule subiri de pe diferite piese sau curarea acestora de oizi sau anumite
impuriti+ 7n cazul acestor tipuri de prelucrri se pot utiliza tensiuni de
accelerare de '+++*: S; i presiuni joase de ordinul $:-" torri+ /e asemenea,
pentru a preveni fenomenele c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
13/39
care-l formeaz, microstructura etc+ 6d.ncimea de penetrare crete rapid odat
cu mrirea ener0iei ionilor ( la aproimativ $ ?e; nu depete :,$ Um)+
>i0+ +&+ 1c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
14/39
>i0+ +#+ Implantor de ioni cu und de ioni deviat$ H catod luminiscent= ' H anod= * H introducerea mediului ionizat= % H ma0nei= " H surs de ioni= H camer de etra0ere= & H separator de ioni= # H tub de accelerare= H sistem de deviere=
$: H materialul implantat= $$H pies suport= $' H camera de lucru= $* H surs de curent= $% H ecranprotector= $" H zon de nalt tensiune= $ H consol de control= $& H ecran de vizualizare= $# H sistem
de vidare
>i0+ +. 1c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
15/39
majoritatea cazurilor, de ctre elemente metalice+ 6cest ultim caz, p.n acum,
are cele mai puine aplicaii, dar pare s fie foarte promitor+
Otilizarea implantrii de ioni pentru modificarea proprietilor diferitelor
materiale compozite a fost posibil datorit dezvoltrii implantoarelor eficiente
de curent nalt, care depesc $ m6+ 6ceasta produce obinerea de structuri non
ec
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
16/39
este de $@$:$& ioni!cm', n timp ce pentru ionii de ar0on este de aproimativ
@$:$ioni!cm'+
7mbuntirea rezistenei la uzur este de obicei le0at de urmtorii
factori9
- o !re0'ere n d#ri'a'eapare datorit introducerii ionilor de
elemente strine (de obicei ioni de elemente uoare, ca de eemplu9 azot,
carbon, boron, sau 0aze nobile) precum i datorit formrii de tensiuni de
compresiune, blocri sau deplasri de dislocaii sau formarea de incluziuni dure
(cele mai comune sunt azotrile, carbonrile sau borrile) sub form de dispersii
fine+- o d#!'ili'a'e "ai "area suprafeelor metalice se obine prin
implantarea ionilor de metale 0rele (de eemplu9 1n, ?o), care provoac
netezirea suprafeei de frecare fr ac
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
17/39
Ma'eriale i"$lan'a'e Ioni6liaje de 6l ?o6liaje de 5u 5r=6l6liaje de [r 5r= 1nMeluri puternic aliate 5V= 8a= Y
Meluri slab aliate 5r=8a1uperaliaje = 5= Y= 5e5upru
6vantajele implantrii ionilor sunt urmtoarele9
8abelul +* Ionii implantai care conduc la creterea duritii stratului suport
Ma'erial#l i"$lan'a' Ioni6liaje de 6l 6liaje de e 6liaje de 8i , 5, 6liaje de [r 5, 6liaje de 5u ,5,,PMeluri puternic aliate 8iW5Meluri slab aliate Meluri rapide ,5obalt nvelit cu carbid tun0sten +5o5eramic calcaros Y,,[r,5r
- posibilitatea potenial de implementare de orice element la oricrui
material ntr-un timp scurt ( de ordinal $: la $:: s!cm 'de suprafa)i la orice
temperatur (fr a depi :::5)=
- posibilitatea introducerii de combinaii aditive aliate=
- posibilitatea obinerii de concentraii de aditive aliate care depesc
solubilitatea lor n materialul aliat (de obicei, aproimativ ':R p.n la
peste maim ":R)=- uurina controlului procesului electric, ca i posibilitatea controlului
precis al concentraiei i distribuiei de aditive aliate prin pro0ramarea dozei i
ener0iei ionilor, cu posibilitatea monitorizrii=
- posibilitatea derulrii procesului de aliere la temperaturi mici (de obicei
sub '::o5), aplicaiile lui independent de tratamentele clasice de nclzire al
componentelor finisate, fiind fr sc
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
18/39
teoarfece \5-5o 6zot ">oarfece pentru plastice :R ?n
# R;, diamante
6zot ']%
?atrie i tane Mel, \5,\5-5o 6zot ']%S!#le
a0!+ieoare
ur0
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
19/39
posibil controlul depunerii straturilor cristaline i a celor epitaiale+
7n cazul depunerilor I5, caracteristicile stratului subire sunt determinate
mai ales de proprietile structurale ale clusterelor i de efectul de ionizare i de
accelerare al acestora+
6specte particulare ale acestei te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
20/39
fluul total este foarte sczut+
/eoarece te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
21/39
>i0+ +$:+ 5lasificarea clusterelor
1pecificitatea te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
22/39
condensat i cel aflat n stare de vapori= < f0-coeficient de nclzire lent la
condensare+
1-a constatat pe parcursul eperimentelor c 0eometria fluului de vapori
care prsete creuzetul ndrept.ndu-se ctre suprafaa suportului (fi0++$$)
variaz odat cu distana _x ` de la suprafaa sursei, conform relaiei9
(+)
unde9 6 reprezint aria seciunii transversale a jetului direcionat spre substrat= /
H diametrul ajustajului duzei (de re0ul 'mm)= H un0
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
23/39
procesului, pe parcursul crora s-au modificat valorile parametrilor de proces
obin.ndu-se at.t curbe teoretice c.t i validarea eperimental a modelelor
propuse, care au fost comparate cu datele din baza de date cuprinz.nd parametrii
de proces ai te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
24/39
>i0+ +$'+ >i0+ +$*+;ariaia raportului D!S8 ;ariaia vitezei de nucleaie a
pentru c.teva materiale clausterelor n funcie de coeficientul de saturare
>i0++$%+ c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
25/39
paralel cu suprafaa, ca urmare a transformrilor ener0etice aprute n urma
impactului cu substratul+
6datomii (atomi n ec
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
26/39
>i0ura +$. 5lustere neutre
fectele ener0iei cinetice, specifice tei0+ +$&+ >ormarea straturilor subiri cu clustere ionizate
140
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
27/39
>i0+ +$#+ ;ariaia masei stratului funcie de temperatur
5.t vreme ad J d ,curba evoluiei masei stratului subire va avea o
pant ascendent fa de reciproca temperaturii (fi0++$#)+ 7n aceai fi0ur este
reprezentati starea cristalin a straturilor depuse la diferite tensiuni de
accelerare (;a)+ Pentru clusterele neionizate, corespunz.nd metodelor
convenionale de depunere, masa depus crete odat cu descreterea
temperaturii substratului+
Qa o temperatur dat a substratului masa depus descrete odat cu
creterea tensiunii de accelerare, datorit pulverizrii i reevaporrii, iar panta se
modific n funcie de tensiunea de accelerare+
6ceasta este o caracteristic deosebit de important a depuneri I5 care
difereniaz aceast te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
28/39
cele mai diverse materiale9 metale, semiconductoare, materiale izolatoare i
materiale or0anice+
Pe parcursul eperimentelor s-au relevat importante caracteristici care
apar pe parcursul metalizrii termic stabile a semiconductorilor cu monostraturi
epitaiale, a acoperirilor cu straturi subiri multiple prin interdifuzie la presiune
i temperatur ridicat sau a definirii dispozitivelor izolatoare, semiconductoare
sau nano-electro-or0anice+
/e asemenea, s-a realizat prin te
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
29/39
>i0++$+ ;ederea 0eneral a unei instalaii 6Q[V1 6 "$:
6ceast instalaie de evaporare termic este dedicat pre0tirii
materialelor suport de tip e, a6s, 1i, 5u, ?o sau alte tipuri de materiale
dielectrice precum i de materiale compozite+/e asemenea, instalaia prepar o
serie de depuneri de straturi subiri de 0rosimi submicronice specializate pentru
domeniul infrarou (n special la $:, Gm)=
: Ins'alaia Magne'ron s$#''ering de radio:(re!5en% -R2. 6ceast
instalaie este construit special pentru monitorizarea _in situ` i eecuia de
componente, dispozitive i elemente complee pentru9
- optica laser de mare putere=
- optoelectronic=
- filtrajul i detecia radiaiei cu aplicaii speciale n domeniul infrarou
al spectrului electroma0netic (I+V)=
- tratamente superficiale cu fascicule de ioni i trimerizri controlate de
143
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
30/39
straturi subiri=
- procesri de structuri nanometrice monostrat i multistrat=
- procesri de nanomateriale i materiale compozite=
- cercetri avansate de straturi subiri de carburi de 1i i a nanotuburilor de
carbon+
Instalaia ;6VI6 V *$$ ( fi0++':) ma0netron sputterin0 de V>,
completat cu o instalaie de evaporare n vid tip 6Q[V1 6 "$:, permite
desfurarea unor etape intermediare care intervin in mod obiectiv n fluul
tei0+ +':+ ;edere 0eneral a unei instalaii ;6VI6 V *$$
6curateea n proiectarea unei surse de clustere depinde n mare parte de
respectarea unei proceduri normalizate care ine cont de compleitatea
proceselor fizice i c
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
31/39
fi0ura +'$+ >uncionarea acesteia se realizeaz conform unei succesiuni de
etape pe parcursul crora fasciculul de clustere este 0enerat, colimat i focalizat
ctre suprafaa substratului, astfel9
-
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
32/39
>i0+ +'$+ 5onstrucia unei instalaii pentru depunerea clusterelor
$- 5amera de condensare= '- 6dmisie tub Ze= *- 5reuzet= % - 1istem rcire cu Z'M= "-/iuz=- Pompa de difuzie (Ze, *::: l!s) =& H 1urs de ioni= #H 1eparator= H Qinie de de0roare=$:- ?anometru cu limitator= $$- Pompa de difuzie cu deflector = $'- Qentile de accelerare=
$*- /eflector X-Y= $%- 8ub protecie fascicule= $"- Qentile= $- >iltru de viteza \ien= $&- Placdeflectoare Y=$#- 8ub de cur0ere= $- /iafra0m selector mas, ':-;alv desc
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
33/39
':+ Pentru a ncepe depunerea se desc
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
34/39
b)
>i0+ +''+ Ionizarea n sisteme _ Qi0Q pulse` 9a-forma impulsului= b-obinerea de fascicule de clustere
Pornind de la aceeai sc
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
35/39
>i0+ + '*+ lemente de definire a fasciculului de clustere de ioni de 609
a-sc
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
36/39
5.teva tipuri de ec
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
37/39
151
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
38/39
152
7/24/2019 Prelucrare cu fascicul de ioni
39/39
>i0ura +'%+