Prelucrare cu fascicul de ioni

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


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


3/39

bombardamentului ionic pot fi de natur fizic sau c


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


5/39

>i0+ +*+ ;ariaia randamentului de

pulverizare n funcie de un0


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


7/39

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


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


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


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,


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


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


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


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


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


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


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


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


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


20/39

fluul total este foarte sczut+

/eoarece te


21/39

>i0+ +$:+ 5lasificarea clusterelor

1pecificitatea te


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


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


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


25/39

paralel cu suprafaa, ca urmare a transformrilor ener0etice aprute n urma

impactului cu substratul+

6datomii (atomi n ec


26/39

>i0ura +$. 5lustere neutre

fectele ener0iei cinetice, specifice tei0+ +$&+ >ormarea straturilor subiri cu clustere ionizate

140


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


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


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


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


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

-


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


33/39

':+ Pentru a ncepe depunerea se desc


34/39

b)

>i0+ +''+ Ionizarea n sisteme _ Qi0Q pulse` 9a-forma impulsului= b-obinerea de fascicule de clustere

Pornind de la aceeai sc


35/39

>i0+ + '*+ lemente de definire a fasciculului de clustere de ioni de 609

a-sc


36/39

5.teva tipuri de ec


37/39

151


38/39

152


39/39

>i0ura +'%+

Documents

Prelucrare cu fascicul de ioni