книги / Электронно-лучевая обработка в сварке

после лазерной обработки имели износ 0,06…0,008 мм за 12 месяцев работы, а износ серийных деталей составлял около 1 мм за 5 месяцев работы. Успешно упрочняются также рапиры ткацкого станка, ползуны прядильных машин, игольные пластины швейных машин.

На автомобильных заводах внедрен процесс закалки корпуса коробки дифференциала из чугуна КЧ35-10 с помощью СО2-лазера типа «Карадамон» мощностью 1 кВт. Опробованы и другие методы упрочнения этой детали: нитроцементация, азотирование, закалка ТВЧ. Однако лазерный способ оказался наиболее экономичным. Износостойкость детали повысилась в 5 раз по сравнению с серийной.

Разработан процесс лазерного упрочнения поверхности межкамерных промежутков на головке блока цилиндров из сплава АЛ4. По сравнению с другими способами упрочнения (напылением, чугунной вставкой), лазерная закалка сплава АЛ4 с оплавлением поверхности оказалась наиболее эффективной. Износостойкость головки блока цилиндров повысилась в 3 раза.

За рубежом лазеры для термической обработки начали применять с 1968 года. В первую очередь их потребителями стала автомобильная, авиационная и легкая промышленность. Фирмы «Дженерал моторз», «Форд моторз», «Катерпиллер трактор» длительное время эксплуатируют СО2-лазеры мощностью 2…5 кВт. Интенсивные исследования в области разработки и применения лазеров проводят в Японии, Англии, Франции и ФРГ.

Помимо закалки, повышенный интерес вызывает процесс лазерного легирования, который позволяет изменять структуру и свойства поверхности в требуемом направлении и изготавливать изделия из менее дорогостоящих материалов. Так, известны результаты легирования алюминиевого поршневого сплава АЛП25 с помощью излучения импульсного лазера «Квант-10». Наибольшая твердость наблюдалась при легировании железом, а жаропрочность сплава увеличилась в 4,5 раза. При лазерной наплавке фаски дизельного клапана наплавочным материалом (порошком Cr + B + Ni) износостойкость клапана повысилась в 3 раза.

61

В последнее время для повышения эффективности лазерную обработку совмещают с другими способами термического воздействия на материалы, например с плазменно-дуговой обработкой.

По мере развития лазерной техники и улучшения ее эксплуатационных характеристик области применения лазерной обработки и круг материалов, для которых она может быть использована, будут постоянно расширяться [9].

62

5. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Ионно-лучевая технология – это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками ионов. В результате воздействия изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий.

В табл. 5.1 приведены сравнительные технологические показатели при использовании электронных и ионных пучков.

			Таблица 5.1
Сравнительные технологические показатели
Технологические показатели	Энергоноситель
	Электроны		Ионы
Максимальная плотность энергии, Вт/см2	109		108
Максимальная глубина обработки, мкм	105		103
Минимальный диаметр сфокусированного	10–3		10–2
пятна, мкм

Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования и относительную сложность его обслуживания, всё больше новейшего оборудования ионно-лучевой технологии появляется в цехах и лабораториях современных производств.

5.1. Ионное легирование

Ионное легирование материалов, или, другими словами, ионное внедрение и ионная имплантация, в настоящее время становится основным технологическим процессом из применяемых для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов.

Метод ионного легирования основан на контролируемом внедрении в материал (твердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул.

63

Особенно перспективным метод ионного легирования оказался для полупроводниковой электроники. Этот метод обладает преимуществами по сравнению с ранее известными: диффузией, сплавлением, легированием из расплава. К этим преимуществам относятся: универсальность, т.е. возможность введения любой примеси в любой материал, локальность воздействия, отсутствие нагрева подложки, возможность строгого дозирования примесей, простота управления, высокая чистота вводимых примесей и т.д.

Физические основы легирования. Движение ионов, внедрен-

ных в твердое тело, носит сложный характер. В результате столкновений с атомами вещества ионы тормозятся и рассеиваются, выбивая атомы подложки и их узлы, т.е. создавая так называемые радиационные дефекты.

Любое кристаллическое вещество можно рассматривать как аморфное, т.е. ион при движении в кристалле «видит» хаотическое расположение атомов.

Для описания движения иона в твёрдом теле используется несколько упрощающих предположений. Во-первых, рассматриваются парные столкновения «ион – атом», и в первом приближении влиянием кристаллической решётки на процесс столкновения пренебрегают. Справедливость этого предположения подтверждается тем, что передаваемая ионом атому вещества энергия порядка тысячи электронвольт много больше энергии смещения атома из узла решетки Есм ≈ 30 эВ. Во-вторых, принято считать, что несмотря на дискретный характер передачи энергии при своем движении в твёрдом теле, ион теряет энергию непрерывно. В-третьих, передача энергии от иона к атому осуществляется в результате упругих и неупругих столкновений.

Особенности технологии ионного легирования. В настоящее время в микроэлектронике всё чаще используют многокомпонентные материалы, например сложные полупроводники GaAs, GaP или GaAsxP1-x, сверхпроводники, ферромагнетики и др. При расчёте распределения имплантируемых ионов по длинам пробегов в сложных материалах возникают определённые трудности. Однако, если

64

облучается двухкомпонентный материал с большими и близкими по значению атомными номерами, то можно рассматривать материал как однокомпонентное вещество со средними массой и порядковым номером.

Распределение в мишени имплантируемых ионов зависит от дозы облучения, т.е. числа ионов, падающих на единицу площади. Это связано с тем, что при увеличении дозы начинают играть роль два процесса – амортизация приповерхностного слоя вещества вследствие роста концентрации радиационных дефектов и распыление поверхностного материала бомбардирующими ионами.

При торможении в мишени ионы передают атомам решётки энергию, которая может превышать значения энергии связи атомов. Выбитые со своих мест атомы, в свою очередь, могут сместить другие атомы, т.е. вызвать каскад столкновений. В этом случае вдоль траектории иона накапливаются вакансии, междоузельные атомы и объёмные дефекты решётки (кластеры). При значительных дозах облучения отдельные кластеры перекрываются и образуется сплошной аморфной слой, т.е. с такой структурой, где отсутствует дальний порядок.

В монокристаллах существуют такие направления, вдоль которых атомы решётки образуют своеобразные каналы, ограниченные параллельными цепочками атомов. Движение быстрых ионов вдоль канала, когда ионы незначительно рассеиваются атомами монокристалла, называется каналированием ионов.

Радиационные дефекты сильно влияют на процесс каналирования ионов. С увеличением дозы облучения растёт число ионов в каналах из-за рассеяния за пределы канала.

При легировании материалов большими дозами ионов, особенно тяжёлых, наблюдается сильный эффект распыления поверхности мишени вплоть до насыщения, когда число имплантируемых ионов становится равным числу распыляемых. При больших дозах облучения становится существенным нагрев материала мишени.

Созданные в результате ионной бомбардировки радиационные дефекты можно устранить отжигом. Отжиг ионно-легированных

65

слоев вещества необходим ещё и по другой причине. Так как цель легирования в микроэлектронике – изменение электрофизических свойств материала, например типа проводимости, то внедренные атомы примеси должны быть электрически активны. Это означает, что ион примеси должен заменить атом вещества в узле решётки и вступить в электронные связи с соседними атомами.

Подавляющая часть атомов, возникших из внедренных ионов, после окончания процесса легирования электронейтральна и находится в междоузлиях. Отжиг, т.е. нагрев вещества до определённой температуры в течение некоторого времени, приводит к термической активации примесных атомов и ускорению процесса диффузии, в результате которой происходят восстановление структуры решётки и замещение атомов вещества атомами примеси. В технологии микроэлектроники обычно используют два метода отжига – термический и лазерный.

При термическом отжиге равномерно нагревается весь образец, определённые области которого подвергнуты легированию. Так, германий нагревается до температуры 380 °С, а кремний – до 570 °С в течение 30…40 мин. При таких режимах нагрева решётка вещества успевает восстановиться благодаря диффузии.

При лазерном отжиге нагреву сфокусированным лучом лазера подвергается только легированная область материала. Механизм лазерного отжига уже нельзя объяснить только процессами диффузии. Наиболее приемлемое объяснение эффекта отжига заключается в том, что в зоне воздействия лазерного луча происходит плавление материала, затем наступает кристаллизация вещества при очень большой скорости остывания. Высокая напряженность электрического поля во время импульса, доходящая до 105 В/см, может приводить к ионизации примесей, что ускоряет процесс отжига ионнолегированного слоя.

Помимо термического и лазерного методов отжига, используют также электронно-лучевой метод, который по своему механизму близок к лазерному, а также отжиг с помощью некогерентного мощного оптического излучения. Источником такого излучения

66

являются импульсные лампы, которые применяют в системах накачки лазеров. Длительность импульса излучения таких источников τ ≈ 10–3…10–4 с, а частота следования достигает 100 Гц.

Оборудование для ионного легирования поверхностных слоев материалов ионами определенного выбранного вида представляет собой специальные технологические ускорители. Диапазон энергий, в пределах которого обычно ускоряются ионы, распространяется от 20 до 450 кэВ, хотя перспективны и установки с энергиями до 0,6...1 МэВ. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема установки для ионно-лучевого легирования: 1 – система напуска рабочего вещества; 2 – источник ионов; 3 – система формирования ионного луча; 4 – сепаратор ионов; 5 – система откачки; 6 – камера с образцами; 7–10 – системы откачки; 11 – блок питания ионного источника; 12 – блок вытягивающего и фокусирующего напряжения; 13 – блок питания сепаратора ионов; 14 – блок контроля дозы

облучения

Требования к лабораторным и производственным установкам несколько различны. Для выполнения исследований возникает необходимость в частых изменениях типов ионов и их энергии. Эксплуатация же установок в производстве обычно осуществляется с применением определенного рабочего режима на каком-то одном выбранном типе ионов.

Основными требованиями, предъявляемыми к лабораторным установкам, являются:

1. Возможность работы как с одно-, так и с многозарядными ионами различных изотопов.

67

2.Обеспечение ускорения ионов в широком диапазоне энергий (20…500 кэВ, а в перспектив – до 1 МэВ (электронвольт)).

3.Точное регулирование температуры образца в широком интервале.

4.Возможность прецизионной взаимной ориентации ионного луча и образца.

5.Точное регулирование температуры образца в широком ин-

тервале.

6.Обеспечение в ионопроводе и рабочей камере высокого вакуума с отсутствием в остаточной газовой среде углеводородов.

7.Модульное исполнение установки, позволяющее с малыми затратами заменять узлы и блоки.

Многие из перечисленных требований важны и для современных производственных установок, но для них во многих случаях более значительными являются:

1.Высокая производительность, определяемая количеством обработанных пластин определенного размера в единицу времени.

2.Малые габариты и энергопотребление.

3.Длительная и стабильная работа источника ионов и других узлов ускорителя.

4.Однородность дозы по большой площади мишени и воспроизводимость результатов при выбранном типе ионов.

5.Возможность автоматизации процесса и управления им от

ЭВМ.

6.Безопасность и простота обслуживания.

Все типы установок по системам ускорения ионов условно можно разделить на две группы: с ускорением до сепаратора и (или) после сепаратора. В устройствах первой группы ионы вытягиваются из выходной щели источника напряжением 5...15 кВ и далее получают приращение энергии в многоэлектродной системе с постоянной напряженностью электрического поля. После сепаратора выделенный поток направляется в приемную (рабочую) камеру. Как сепаратор, так и приемная камера здесь находятся под нулевым потенциалом, что удобно при эксплуатации.

Однако работа с ионами большой массы и энергии требует значительного увеличения габаритов магнитного сепаратора, по-

68

этому становится выгодным ускорять ионы до требуемой энергии после их разделения. Вытягивание их из источника и формирование потока осуществляется с помощью относительно невысокого напряжения. Установки этой группы относятся к устройствам с послеускорением ионов; приемная камера или располагаемые внутри ее держатели образцов находятся под высоким потенциалом, что усложняет эксплуатацию.

Установки третьей группы чаще используют для легирования высокоэнергетическими ионами со сравнительно малыми массовыми числами. В них применяются две системы ускорения. Если приемное устройство заземлено, то под высоким напряжением находятся источник ионов и масс-сепаратор.

При выборе типа установки существенна величина дозы легируемой примеси, и по этому признаку установки также разделяют на три типа: малых и средних доз, больших доз с интенсивными ионными токами, высокоэнергетические.

Установки малых и средних доз характеризуются пучками с интенсивностью от 1 до 500...800 мкА. В сильноточных установках больших доз сила тока ионного пучка достигает 1...20 мА. Оба типа установок работают в области энергий 30...200 кэВ. В установках третьей группы достигается энергия 1 МэВ и выше, но токи не превышают единиц микроампер.

Одним из основных узлов любого технологического ускорителя является ионный источник. По принципу действия и протекающим в них физическим процессам эти источники подразделяются на источники с разрядом Пеннинга, высокочастотные, с контрагированным плазменным разрядом (дуоплазматроны), дуговые. Последние нашли наибольшее применение в установках со значительным током пучка ионов.

К эксплуатационным характеристикам ионных источников относятся: сила тока пучка в стационарном режиме; возможность работы с исходными рабочими веществами в состоянии поставки (газ, жидкость, твердое тело); коэффициент использования рабочего вещества; возможность управления энергией ионов на выходе из источника при малых изменениях силы тока; экономичность, т.е. от-

69

ношение силы ионного тока на выходе из источника к подводимой к нему мощности; долговечность; простота конструкции, позволяющая быстро заменить его элементы при разрушении, например, ионной бомбардировкой.

Так как в большинстве промышленных установок используются дуговые источники, рассмотрим подробнее их конструкцию и технические характеристики.

Напуск газа или паров рабочего вещества (рис. 5.2) через регулируемый натекатель обеспечивает внутри ионизационной камеры рабочее давление на уровне 1...10 Па.

Рис. 5.2. Схема дугового источника ионов: 1 – место подачи рабочего вещества; 2 – корпус источника; 3 – катод; 4 – вытягивающий электрод; 5 – фокусирующий электрод; 6 – ионный пучок; 7 – зона разряда; 8 – анод; 9 – электрод для предотвращения ухода электронов из ионопровода

Ионизация рабочего тела осуществляется бомбардировкой электронами, эмитируемыми вольфрамовым катодом и ускоряемыми высоким напряжением, под которым находится ионизационная камера. Магнитное поле, создаваемое внешним магнитом, удлиняет путь электронов за счет искривления их траекторий. В результате вероятность ионизации резко возрастает. При напряжениях между катодом и камерой 100...300 В внутри камеры поддерживается ограниченный по силе тока дуговой разряд. Извлечение ионов с границы плазмы происходит «провисающим» в выходное отверстие камеры электрическим полем. Для извлечения положительных ионов извлекающий электрод должен иметь отрицательный потенциал

70