Література. 1. М.И.Пашечко, В.М.Голубец, М.В.Чернец

1. М.И.Пашечко, В.М.Голубец, М.В.Чернец. Формирование и фрикционная стойкость евтектических покритий.- К.: Наук. думка, 1993.-344с.

2.5. Іонна імплантація

Іонно-променеві методи модифікації властивостей твердих тіл знаходять широке використання в науці і техніці. В мікроелектроніці перехід до приладів з субмікронними розмірами безпосередньо пов’язаний з використанням іонної імплантації в якості основного способу локального легування напівпровідникових структур. Подальший прогрес в мікротехнології, як очікується, також буде визначатись з іоннопроменевими методами. Іонна літографія, локальне іонне трав­лення і імплантографія – перспективні технологічні операції, які представляють найбільші можливості в порівнянні з іншими технологічними методами для мінітюаризації мікроелектронних структур.

Іонна імплантація використовується не тільки для введення легуючих домішок в напівпровідники, але й для синтезу нових з’єднань, зміни механічних, корозійних, каталічних, оптичних властивостей та зносостійкості приповерхневих шарів металів. Застосування високоінтенсивних іонних пучків дозволяє стимулювати дифузійні процеси, хімічні реакції та реакції фазоутворення.

Для ціленаправленого проведення робіт з модифікації власти­востей матеріалів іонними пучками необхідне глибоке розуміння процесів переносу речовини й енергії в каскадах атомних ударів при іонному опроміненні твердих тіл. Тому іонна імплантація представляє інтерес не тільки як процес отримання нових експериментальних результатів, але і з точки зору розуміння теоретичних методів кількісного опису втілення іонів у метали, питань релаксації електронних збудників в напівпровідниках і металах, теплових процесів. Особлива увага приділяється новим аспектам застосування іонної імплантації та чисельним методам розрахунку проникнення прискорених іонів, які дозволяють отримати кількісні параметри для різних умов іонної імплантації.

2.5.1. Фізичні основи імплантації іонів

Іонна імплантація – це процес, в якому практично будь-який елемент може бути втіленим в поверхневу область найрізноманітнішого твердого тіла-мішені, яка поміщена у вакуумну камеру, з допомогою пучка високошвидкісних іонів, що мають енергію в декілька мегаелектронвольт. Іони впроваджуються в матеріал мішені на глибину 0.01-1.0 мкм. Розподіл (профіль) концентрації домішки за глибиною для більшості комбінацій – це впроваджуваний атом-мішень, який може бути обчислений за допомогою Гаусівського розподілу для малих концентрацій, а для високої густини спостерігаються інші ефекти. Так, атоми-мішені можуть мігрувати, розсіюватися або вибиватися з поверхні іонним пучком. Особливо це небезпечно, коли для бомбардування застосовують великі іони, що може значно змінити або обмежити максимальну глибину проникнення імплантованих іонів. Розподіл атомів у цих умовах має максимум на поверхні і подає із збільшенням глибини.

При іонній імплантації змінюються фізичні властивості поверхні. Цей процес часто порівнюють з вакуумним напиленням, хімічним осадженням з пари, іонним нанесенням покриттів – процесами, що використовуються для зміцнення поверхні та підвищення опoру корозії.

Іони можуть бути імплантовані в поверхню твердого тіла в неперервному або імпульсному режимах [3]. У другій половині вісімдесятих років з’явилася перша інформація про новий метод імплантації, зокрема, імплантації у плазмі [4]. В даному методі іони бомбардують імплантований предмет, який знаходиться під високим від’ємним потенціалом у вакуумі зі всіх сторін.

2.5.1.1. Неперервна імплантація іонів

Полягає на безперервному втіленні (імплантації) у поверхню твердого тіла одно- або багаторазово іонізованих атомів довільного елемента завдяки великій кінетичній енергії, яку вони одержують у вакуумі (6·10^-5Па) в прискорюючому і формуючому іони в пучок електричному полі. Імплантовані іони, які мають енергію від декілька десятків мегаелектроновольт (1еV = 1.602·10^-19 Дж) до декілька десятків мегаелектроновольт, проникаючи в глибину твердого тіла, поступово втрачають свою енергію у результаті двох видів взаємодій: непружних – із електронними, і пружних – із ядрами атомів кристалічної гратки матеріалу, який піддається імплантації.

У початковий момент переміщення у твердому тілі іон взаємодіє в основному із вільними електронами й електронами, які знаходяться на відповідних орбітах.

При цьому відбувається іонізація атомів підкладки і обмін електронів між іонами імплантованими і атомами підкладки. У цей період руху іона відбувається в основному гальмування електронів. В останній момент руху іона його співудари мають пружний характер і розсіювання енергії відбувається згідно законів, встановлених Резерфордом. Умови процесу імплантації підбираються таким чином, щоб втілення іонів домінувало над їхнім розпиленням.

У результаті імплантації іонів у приповерхневий шар імплантованого матеріалу у ньому залишається певна кількість атомів. Вони утворюють імплантований шар товщиною 0.01-1 μм (рис.2.27), який має інші фізико-хімічні властивості у порівнянні із вихідним матеріалом. Втілення імплантованих іонів на задану глибину умовно можна назвати глибиною втілення (імплантації). Глибина втілення і розміщення іонів в об’ємі імплантованого матеріалу залежить від їхньої кінетичної енергії, порядкового номера і кута падіння, а також від властивостей імплантованого матеріалу: маси і порядкового номера атомів, які утворюють цей матеріал, а також від його структури [5].

Рис.2.27. Схема перебігу імплантації

Глибина і розміщення імплантованих іонів залежить від виду матеріалу. У випадку аморфного тіла мають вони характер близький до розподілу Гаусcа (рис.2.28), який можна описати рівнянням

, (2.1)

де

N(x) – концентрація іонів на глибині х від поверхні [іонів /см³ ];

No – концентрація іонів для x = Rp [іонів /см³];

Rp – ефективна глибина втілення іонів, залежна від дійсної глибини Rc (проекція Rc на вісь х) [μм];

Rc – реальна глибина втілення іонів або відстань, яку долає іон в імплантованому матеріалі – від поверхні матеріалу, аж до досягнення стану спокою [μм];

∆Rp – стандартне відхилення величини Rp [μм].

Розподіл Гаусcа характеризує:

– положення максимуму концентрації Rp, величина якої залежить передусім від енергії іонів і їх атомної маси m₁;

– розкид ∆Rp, відносна величина якого ∆Rp/Rp в нашому випадку залежить від відношення атомних мас імплантованих іонів m₁ і атомів підкладки m₂.

У випадку імплантації іонів в кристалічний матеріал їх глибина, кількість і розподіл залежать в основному від орієнтації структури відносно напрямку падіння іонів (рис.2.28,а). Якщо іони рухаються в матеріалі підкладки вздовж визначених кристалографічних напрямків, наприклад, [110] або [111], то при цьому відбувається кореляційна взаємодія пучка іонів із атомами кристалографічної гратки і глибина проникнення іонів зростає на порядок більше і змінюється розподіл концентрації іонів. Це явище називається тунелюванням іонів у струк­турі матеріалу підкладки. При цьому відбувається зменшення кількості дефектів, які утворюються при русі іонів. Глибина їх проникнення дуже сильно залежить від кристалографічної орієнтації і стану поверхні підкладки та температури, а також напрямку і кількості втілених іонів. Розподіл концентрації іонів складається із декількох ділянок:

– першої – відповідає розподілові, який обумовлений “нетунелюючою” частиною пучка іонів і містить більше 20% імплантованих іонів; Характеризується вона величинами Rp і ∆Rp відповідно як для аморфного тіла;

Рис.2.28. Глибина імплантації: а) схема розподілу іонів; б) залежність глибини втілення іонів Rp і стандартного відхилення ∆Rp від енергії імплантації іонів азоту в залізо; в) Гауссівський профіль імплантації іонів азоту в залізо; г) розподіл концентрації іонів, імплантованих з метою аморфізації, і розподіл утворених при цьому дефектів; д) утворення дефектів у металі основи С в результаті падіння іона і появи кас­каду вибитих А і В (вакансій і атомів втілення)

– другої (і, можливо, дальших) – яка відповідає іонам, що проникають значно глибше завдяки явищу проникнення часточок по пустотах; Концентрація імплантованих іонів зменшується в загальному монотонно.

1. Межа проникнення іонів досягає максимального значення Rmax, який визначений через явища, що гасять тунелювання, на­приклад через теплові коливання кристалічної гратки. У деяких кристалах гасіння тунелювання є незначним і в цей час може появитися додатковий максимум концентрації імплантованих іонів в колі Rmax.

Крива лінія, яка показує розподіл концентрації або залежність концентрації імплантованих іонів на різних глибинах в основному матеріалі, – називається профілем імплантації.

Максимум концентрації імплантованих іонів, особливо легких елементів, знаходиться не на поверхні зміцнюваного матеріалу, а на глибині декілька десятків мікрометра від поверхні з огляду на розпилення і непружний характер взаємодії іонів із електронами основного матеріалу. Імплантовані іони, ударяючись із атомами зміцнюваного матеріалу, викликають їх переміщення, в результаті якого утворюються радіаційні дефекти (пошкодження).

Енергія іона (декілька десятків кеV) є в декілька тисяч раз більша від енергії зв’язку атомів у кристалічній гратці (в металах ~ 2 eV). При цьому один іон може вибити із вузла гратки до декілька тисяч атомів. У такий спосіб імплантований іон на своїм шляху сильно генерує дефектний простір, який поширюється перпендикулярно до напрямку руху іонів внаслідок повторної взаємодії вибитих атомів із кристалічної гратки, так званий вибитий каскад, розмірами від декількох до десятків нанометрів. Кількість дефектів перевищує в два три рази величину кількості імплантованих іонів і є величиною, при якій реалізується насичений рівень дефектів [5]. Поява дефектів залежить від перетину гальмування ядра. Профіль зміни переміщень імплантованих атомів є подібний до профілю імплантації. Однак максимум дефектів спостерігається поблизу поверхні. При тиску іонів, що перевищує 10¹⁴ іонів/см², окремі ділянки збурень накладаються одна на іншу і підвищена густина точкових дефектів може спричинити появу аморфізованих мікрообластей, дислокацій і мікропор (при об’єднанні точкових дефектів). Межа величини тиску, яка аморфізує підкладку, є тим менша, чим важчі іони і нижча температура підкладки. Виникнення мікропустот можна спостерігати при імплантації металу іонами нейтральних газів [11].

Заімплантовані іони можуть локалізуватись на границях дислокацій, знаходитись у вузлах гратки або утворювати включення нової фази. Багато дефектів, які утворюються під час імплантації, зникають вже при кімнатній температурі. Розподіл інших дефектів є подібний до розподілу легуючих елементів. Кількість і величина переміщень атомів імплантованого матеріалу в великій мірі залежить від тиску (дози) іонів, тобто від кількості імплантованих іонів на одиницю поверхні [6].

У більшості випадків практичного використання імплантації іонів важливим є одержання у поверхневому шарі концентрації легуючого елемента в кількості від кількох до декількох десятків процентів. Відповідаючі цьому тиску повинні знаходитись у інтервалі 10^16-10¹⁸ іонів/см²; вони доставляються за час десятих і сотих часток секунди [11].

Для малих тисків іонів профіль імплантації досить добре відповідає теоретичному розподілові Гаусcа (рис.2.28 с).

Збільшення тиску іонів обумовлює збільшення кількості і величини переміщень атомів, що спричиняє значні пошкодження кристалічної структури (збільшення кількості дефектів кристалічної гратки). Найглибше проникають іони, напрямок падіння яких співпадає з напрямком “порожніх канавок” у гратці, що виникають при заданому розміщенні вузлів відносно кристалографічної вісі кристалів у імплантованому металі. Це є згадуване вище явище тунелювання. Частково загальмовані іони мігрують атермічно також вздовж відпoвідної кристалографічної осі. Відбувається також явище анормальної дифузії, яка полягає на швидкій міграції імплантованих іонів по дефектах, які з’явились внаслідок імплантації. Швидкість цієї дифузії сильно залежить від температури [5,6].

Теоретична залежність між концентрацією і тиском імплантованих іонів Q_і описує залежність [6]:

, (2. 2)

яка для х = R_p приймає вигляд [6]

. (2. 3)

Із залежності 2.2 і 2.3 випливає, що із збільшенням тиску іонів зростає їх концентрація в імплантованому матеріалі і може змінюватись характер профілю імплантації.

В дійсності крива зміни концентрації N(x) для більших тисків Q_i відрізняється від гауссівського розподілу і не є симетрична по відношенню до максимального значення N₀ (для х = R_p). Спостерігається відхилення біля поверхні в напрямку збільшення концентрації, а також на більшій відстані від поверхні, куди можуть проникати іони внаслідок випадкового тунелювання (рис.2.29).

Рис.2.29. Залежність профілю і глибини імплантації від атомного числа імплантованих в золото іонів і від енергії іонів [7 ]

Глибина проникнення іонів в тверде тіло є відносно невелика – тільки у деяких випадках перевищує 1 μm і швидко зменшується при збільшенні маси іона (рис.2.29). Для іонів цих самих елементів зростає при зростанні величини прискорюючої напруги (рис.2.30, а) і енергії іонів (рис.2.30, б).

З метою одержання профілю імплантації без гострого максимуму можна в процесі імплантації збільшувати енергію іонів – профіль кінцевої імплантації іонів буде алгебраїчною сумою профілів імплантації при відповідних енергіях іонів (рис.2.30 в) або збільшувати тиск іонів [3].

Одержання більших глибин імплантації і концентрації імплантованих іонів шляхом збільшення їх енергії і тиску перешкоджає розпилення іонами поверхні. Один іон може вибити із поверхні декілька атомів, стравлюючи частину матеріалу. Це явище спостерігається особ­ливо інтенсивно у випадку бомбардування іонами важких елементів. При цьому профіль імплантації має максимум концентрації іонів біля поверхні імплантованого матеріалу [8].

Рис.2.30. Залежність профілю і глибини імплантації іонів азоту в сталь: а) від величини прискорюючої напруги [8,9]; б) від енергії іонів [10]

З точки зору одержання хімічних сполук між атомами підкладки і заімплантованими атомами, імплантація іонів є термодинамічно нерівноважним процесом. У зв’язку із особливим перемішуванням атомів матеріалу основи і заімплантованих атомів, явища дифузії можуть відбуватись в 10⁴ (і більше) разів швидше, ніж при звичайних мета­лургійних процесах плавлення. При цьому одержуються метастабільні фази, які неможливо одержати традиційними способами [11].

У процесі імплантації не відбувається збільшення об’єму імплантованого матеріалу. Однак при імплантації іонів виникають стискаючі напруження і відбувається локальне збільшення температури поверхні імплантованого матеріалу. Бомбардуючий іон може підвищити локальну температуру до 1000 ⁰С за час менший 10^‑11 с. Нагрівання імплантованого матеріалу визначається енергією і тиском іонів і його можна визначити, враховуючи енергію імплантації. При питомій енергії 10 кВт/м² поверхня металу за декілька хвилин нагрівається до ~100 ⁰С, при 100 кВт/ м² до 350 – 500 ⁰С.

При максимально допустимій питомій енергії 6000 кВт/ м² можливе плавлення або навіть випаровування матеріалу [3]. На практиці процес імплантації проводять таким чином, щоб температура імплантованого матеріалу не перевищувала 200 °С. Це дозволяє зменшити вплив імплантації на властивості імплантованого матеріалу.

2.5.1.2. Методи імплантації

В залежності від енергії іонів, їх тиску і швидкості імплантації, наявності та відсутності плівок або атомів інших металів, а також кіль­кості пучків, які використовуються до імплантації, – особливості процесу можна поділити на чотири групи:

1. І м п л а н т а ц і я первинних іонів (англ. Ion implantation, Simple ion implantation). Використовується для легування металевих матеріалів непокритих попередньо поверхневою плівкою. Дозволяє проводити легування матеріалів до вмісту імплантованих елементів від кількох до десятків процентів у залежності від виду імплантованого матеріалу та імплантуючих іонів [13, 14].

2. І м п л а н т а ц і я вторинних іонів (англ. Recoil implantation). Вона полягає у бомбардуванні іонами шляхетних газів тонкого по­верхневого шару, одержаного гальванічним методом осадженням у вакуумі та іншими на поверхні імплантованого металу. В результаті зіткнень із іонами атоми покриття одержують значну енергію і проникають у глибину імплантованого матеріалу (рис.2.31, а) [13,15].

Метод дозволяє одержати в поверхневому шарі металу 50 % імплантованого елемента. Однак вимагає застосування імплантаторів з вищими параметрами в порівнянні з імплантацією первинних іонів. Енергія іонів залежить від товщини шару і становить понад 100 кеВ, струм іонів від ~10 μА до 100 mA. Час імплантації становить 10-100 с/cм² [14].

Рис.2.31. Схеми [3]: А – імплантації вторинних іонів; В – міжфазне змішування іонів; а) перед імплантацією; в) в процесі імплантації; с) після імплантації

При зміні параметрів процесу відбувається не тільки імплантація вторинних іонів, але і первинних. У проаналізованих двох методах не відбувається зміна геометрії імплантованого матеріалу [3].

3. Іонне міжфазне зміцнення (англ. Ion Beam Intermixing) – є відмінністю іонного змішування, яке застосовується при більших товщинах покриттів (або композиції шарів А, В, С), які наносяться на підкладку передусім з метою покращання адгезії покриття із підкладкою. Шляхом відповідного підбору параметрів процесу одержуємо іонне змішування на границі фаз: підкладка - покриття (А-В, В-С). Завдяки цьому поверхневий шар металу характеризується плавним переходом до матеріалу покриття і дуже доброю адгезією. При цьому відбувається зміна розмірів матеріалу, що покривається. В такий спосіб можна, наприклад, покращити адгезійну міцність покриття TіN, одержаного до­вільними вакуумними методами, яке наноситься на на інструментальні матеріали, нержавіючі сталі та інші. Метод можна застосовувати при підвищених температурах імплантованого матеріалу з метою збільшення глибини дифузії елементів.

4. Іонне динамічне змішування (англ. Dynamical Mixing, Dinamic Recoil Mixing, Ion Enhanced Position [15]) – найновіший перспективний метод. Є відмінністю іонного зміщування, в якому процес змішування відбувається при імплантації матеріалу одночасно двома або більшою кількістю пучків іонів чи в процесі одержання покриття шляхом лазерного, електронного, термічного випаровування, іонного напилення, розпилення.

Таким методом можна наносити покриття BN і TіN на металеві підкладки. Слід відзначити, що адгезія покриття з основою, яка одержується цим методом, є в 10-45 разів вищою в порівнянні із звичайним адгезійним з’єднанням. Товщина шару ж є обмежена фізичними особливостями одержання покриття. Метод може бути використаний не тільки для імплантації іонів у метал та ізолятори, а також для одержання дуже тонких суцільних покриттів (наприклад золотих товщиною 4 нм), які неможливо отримати іншими методами без втрати ці­лісності плівок.

2.5.2. Імплантатори іонів

Для реалізації імплантації іонів слугують спеціальні акселератори, які називаються імплантаторами іонів.

Імплантатори іонів можна поділити на дві групи:

1. З неперервним пучком іонів, які традиційно називаються імплантаторами іонів.

2. З імпульсним пучком іонів.

Перші використовуються для імплантації від моменту появи імплантаційної техніки. Другі появились на початку 80-х років і в ос­новному застосовуються для лабораторних цілей.

Дамо короткий опис обладнання для іонної імплантації і правила його експлуатації.

Типовим зразком дослідницької установки для іонної імплантації є установка, схема якої показана на рис.2.32. Установка складається із іонного джерела, здатного формувати іонні пучки практично будь-якого стабільного елемента. Іони емісують з іонного джерела під дією електроду, що має високий потенціал.

Прискорюються іони в колоні під дією різниці потенціалів між землею і джерелом, яке має високий потенціал відносно землі. Іонне джерело формує іони різних типів, в тому числі і такі, що непотрібні для іонної імплантації, тому масосепаратор іонів є невід’ємною частиною кожної установки. Завдяки йому мішені досягають тільки іони необхідного сорту. Після масосепаратора пучок фокусується та напрямляється в камеру і через діафрагму попадає на мішень. Сканування пучка по поверхні мішені гарантує рівномірний розподіл домішок. При проходженні іонами відповідної діафрагми їх струм інтегрується. Концентрація домішки визначається числом іонів на одиницю площі і може бути приведена в об’ємну концентрацію, якщо відомі співвідношення: область розподілення - енергія зв’язку для кожної окремої комбінації впроваджуваний іон – вихідний матеріал.

Рис.2.32. Схема типової дослідної установки для іонної імплантації:

1 – іонне джерело; 2 – прискорююча система; 3 – фокусуючі елементи; 4 – масосепаратор; 5 – діафрагма для розділення ізотопів; 6 – фокусуючі елементи; 7 – пластини для електростатичного сканування; 8 – вимірювальна апартура; 9 – мішень у циліндрі Фарадея

До 70-х років для імплантації застосовувались або видозмінені типи дослідницьких прискорювачів, які дозволяють одержати мікроамперні пучки іонів з енергією в декількасот кілоелектронвольт, або сепаратори ізотопів, здатні створювати міліамперні пучки іонів з енер­гією порядку декількох десятків кілоелектроновольт. Ці системи були прийнятні для дослідження можливості застосування імплантації до напівпровідників. Але вимоги до імплантаціії, як до методу виробництва напівпровідників, призвели до створення обладнання, яке забезпечує високу продуктивність процесу. За останні роки застосування імплантації для одержання напівпровідників значно розширилось. Зараз у світі випускається промислове обладнання для іонної імплантації 350 – 400 типів на суму ~ 55 млн. доларів.

Звичайно, що для імплантації металів велике значення буде мати розробка нових іонних джерел і спеціальних камер для мішеней, які дозволять обробляти деталі з поверхнею, що відрізняється від площини (наприклад, кульки для підшипників). Ціна установок такого типу становить 350 – 400 тис. доларів.

Основними частинами імплантатора, показаного на рис.2.33, є джерело іонів, сепаратор, акселераційна система, система відхилення, вакуумна система та робоча камера.

Рис.2.33. Схема будови імплантатора іонів з електричним відхиленням пучка іонів: 1 – розжарений катод; 2 – анод; 3 – підвід іонізованого матеріалу; 4 - магніти; 5 – джерело іонів; 6 – екстракційна камера; 7 – сепаратор іонів; 8 – акселераційна труба; 9 – система відхилення; 10 – імплантований матеріал; 11 – стіл для закріплення зразків; 12 – робоча камера; 13 - джерело; 16 – пульт керування; 17 - збірник; 18 – розміщення помпи [1, 2]

Джерело іонів є найістотнішим елементом імплантатора і слугує до формування пучка додатніх іонів заданого складу. Складається із робочого об’єму, в якому відбувається іонізація газу, пари або твердого тіла і екстрактора, який зостосовується для витягування іонів із об’єму іонізації, формування їх в пучок і скерування до прискорюючої системи. Властивості джерела визначають технологічні можливості та ефективність імплантатора.

В залежності від механізму іонізації іономісткої субстанції джерела іонів поділяються на три групи:

1. Плазмові.

2. Термоемісійні.

3. Польові.

У плазмових джерелах іони одержуються в електромагнітному полі. В основі роботи термоемісійного джерела є використання іонізованих атомів, які виникають при співударянні термоемісійних іонів з поверхнею металу. Польові – з поверхневою іонізацією, в яких використовується різниця між роботою виходу електронів з металу і по­тенціалом іонізації елементів, іони яких хочемо одержати.

Екстракційна система змонтована з одного, двох або трьох плос­ких, циліндричних чи конусно-циліндричних електродів, із яких перший слугує до екстракції іонів, інші – до формування пучка іонів. До електродів прикладається напруга величиною декілька десятків кіловольт.

Прискорююча система складається із джерела високої напруги і іонооптичної системи, яка створює задане електричне поле, в якому іони прискорюються і формуються в пучок колового або прямокутного перетину традиційно діаметром 2-10 μm. В найпростішому випадку він складається із трьох лінз.

Сепаратор мас слугує до селекції іонів у пучку на основі аналізу мас пучка іонів. Сепаратори пропускають тільки іони з визначеним співвідношенням заряду до маси e/m за допомогою магнітної лінзи.

Система сканування слугує для переміщення пучка іонів з метою одержання рівномірного їх розподілу по поверхні, що імплантується.

Імплантація первинними іонами використовується для металів, які не покриті попередньо шаром металу. Ця технологія дозволяє заімплантувати матеріали відповідними елементами від кількох до де­сятків відсотків в залежності від виду імплантованого матеріалу.

Імплантація вторинними іонами полягає в бомбардуванні ними благородних газів, які нанесені на метал тонким шаром. Цей метод дозволяє отримати величину імплантації більшу, ніж 50%, але вимагає застосування імплантаторів з вищими робочими параметрами, чим при імплантації первинними іонами. Енергія іонів залежить від товщини нанесеного шару і досягає понад 150 кеВ. Час імплантації 10-100 с/см² поверхні.

Також існує змішана іонна імплантація. Взаємодія іонів з атомами твердого тіла призводить до зміщення атомів з положень, які вони займали, а послідовне зміщення – до порушення мікроструктури і переносу матеріалу. Останній ефект отримав назву “іонного” чи “атомного” змішування.

Розглянемо детальніше основні зміни просторового розподілу атомів твердого тіла в результаті бомбардування прискореними іонами. В типових експериментах по змішуванню використовують або шар-мітку (товщиною біля 1 нм), створений в середині гомогенного матричного матеріалу, або шарові (два і більше шарів) зразки, які приготовлені методом вакуумного нанесення. В якості бомбардуючих час­точок вибирають іони інертних газів (аргон, криптон, ксенон) з Е=10...1000кеВ. Опромінення шарової структури з метою модифікації корисних властивостей матеріалу найчастіше здійснюють при кімнатній температурі. Змішування шарів-міток і бішарових структур істотно не залежить від температури. Є декілька механізмів іонного змішування:

1. Балістичне змішування (біля 10^-13-10^-12 с).

2. Термічне змішування (біля 10^-11с ).

3. Дифузійні процеси (в процесі опромінення).

4. Модифікована опроміненням дифузія (біля 1 год після опромінення і більше).

Вклад того чи іншого механізму залежить від багатьох факторів: енергії іона і дози, співвідношення мас іона і атома, умов опромінення і системи опромінення.

Природа першого механізму полягає в передачі значної кіне­тичної енергії іона атомам металу, що дозволяє їм зміщуватись при переміщенні із свого місця знаходження в напрямку отриманого ім­пульсу.

У другому механізмі припускається, що протягом приблизно 10^‑11 за рахунок подальших міжатомних взаємодій в об'ємі каскаду проходить розподіл кінетичної енергії між часточками. В даному випадку атомне змішування можна розглядати як дифузію в неідеальному розчині. За короткий час дифузія призводить до переміщення атомів на відстані порядку декількох міжатомних віддалей. Однак в результаті цього можуть відбуватися радикальні структурні і фазові перетворення, такі як аморфізація чи формування метастабільних сплавів.

Процес атомного змішування, який здійснюється через механізм радіаційно-стимульованої дифузії, представляє собою дифузію атомів основи і атомів розчиненого елемента в результаті утворення і міграції радіаційно-індукованих дефектів (тобто вакансій, міжвузлових атомів і їх комплексів), які утворюються при іонному бомбардуванні. Процес дифузійного змішування, на відміну від перших двох механізмів, є термічно активованим процесом. При опроміненні дифузія призводить до типових змін, які відбуваються упродовж однієї або більше годин після опромінення.

Перевагою методу іонного змішування є те, що необхідні каскади іонів для корисної модифікації матеріалу складають 10¹⁵-10¹⁷ іон/см², тобто на один- два порядки менші, ніж при прямому іонному легуванні. Поряд з можливістю керувати електрофізичними, механічними, трибологічними, корозійними і каталітичними властивостями матеріалів іонне змішування є також цінним інструментом при вив­ченні важливих проблем у галузі фізичної металургії, а саме теорії сплавів і фазових перетворень.

2.5.3. Сучасний стан теорії структурно-фазових змін в іонно-імплантованих металах

Розглянемо проблеми аморфізації і інших структурно-фазових перетворень в іонно-імплантованих металах, які модифіковані іонним змішуванням або прямою імплантацією [1, 2].

Існує ряд емпіричних правил, які дозволяють прогнозувати амор­фізацію чи кристалізацію бінарних сплавів, а також отримання відпо­відних сплавів іонним змішуванням. До основних правил відносяться: правило розпізнавання структур; критерії Ліу, які базуються на характеристиках рівноважної діаграми стану; співвідношення атомних радіусів і ентальпій утворення сполук; правило Хегга, правило Раушенбаха; критерій формування простих структур і границь розчинності (областей гомогенності) сполук по Бримгаллу. Але жодне з цих правил не описує будь-який сплав, а деякі з них несумісні, тобто єдина теорія аморфізації металів і сплавів відсутня. На основі результатів багатьох експериментальних досліджень Ліу запропонував ряд правил для прогнозування структури сплаву, яка формується в процесі іонного змішування:

1. Якщо склад сплаву відповідає двофазній області діаграми стану, то, звичайно, утворюється аморфний матеріал.

2. Якщо склад близький або відповідає однофазній області діаграми стану і цій фазі відповідає складна структура, то частіше формується аморфний сплав.

3. Якщо склад близький або відповідає однофазній області діаграми стану і фаза має просту структуру, то утворюється кристалічний матеріал.

Ці правила адекватно описують структуру всіх сплавів, створених іонним змішуванням.

Формування фаз у результаті іонного змішування необхідно розглядати в двох температурних інтервалах, які розрізняються за рухомістю атомів. Вважається, що при низьких температах (для біль­шості металів це кімнатні температури і нижче) іонне змішування подібне процесу гартування. Кінцеві атомні конфігурації визначаються переважно процесами атомних зіткнень і перебудови на стадії релаксації каскадної області. При іонному змішуванні за рахунок поліморфних перетворень можуть утворюватись прості кубічні структури, тверді розчини, прості за структурою сполуки або аморфні сплави. При високих температурах імплантовані атоми є дуже рухливими і має місце їх переміщення на великі відстані. В даному випадку утворюються фази, які прогнозуються на основі рівноважних діаграм стану. В системі з багатьма проміжними фазами звичайно спостерігається утворення аморфних фаз. Якщо в рівноважній діаграмі стану відсутні інтерметалеві сплави з вузькою областю гомогенності або формування сполук відбувається шляхом перетворення перенасичених твердих розчинів, то система виявляє тенденцію до утворення твердих розчинів в результаті іонного змішування. В літературі описують дві моделі аморфізації металів і сплавів: пряма аморфізація і аморфізація за рахунок акумуляції дефектів (перекриття каскадних областей).

У рамках першої моделі вважається, що аморфна фаза формується в окремих міцних каскадах шляхом розплавлення локальної області і її наступним швидким гартуванням. Важливу роль відіграють домішки, які стабілізують аморфну фазу.

Вчені Геера і Раушенбах у рамках моделі прямої аморфізації теоретично описали аморфізацію металевих шарів при імплантації високих доз іонів металоїдів. Вважається, що для стабілізації аморфного стану необхідне утворення сильних ковалентних зв'язків з атомами матриці. А отже, при впровадженні кожного іона металоїду тільки невелика частина порушеної локальної області аморфізується. Наприклад, у випадку бомбардування заліза іонами бора з Е = 50 кеВ аморфізований об'єм на один іон складає біля 80 атомів. Це обумовлює більш високу в порівнянні з напівпровідниками дозу іонів, яка необхідна для аморфізації металів.

Для опису експериментальних даних аморфізації з акумуляцією дефектів часто використовують модель, яка припускає поступове накопичення дефектів структури (простих точкових дефектів чи комплек­сів) до критичної концентрації, яка відповідає аморфізації.

Розглянемо процес іонної імплантації, як спосіб зміни поверхневих фізико-хімічних і механічних властивостей сплавів. Першою особливістю (і головною) іонної імплантації є її універсальність. Будь-який вибраний матеріал може бути імплантований в поверхневі шари даного матеріалу в кількостях, які можна контролювати від початку і до кінця процесу. Іонну імплантацію здійснюють при порівняно низьких температурах, звичайно, лише дещо більше кімнатної.

Багато точкових дефектів, що появляються під час іонної імплантації, збираються в кластери, які можна бачити в іонному мікроскопі у вигляді дислокацій міжвузлового і вакансійного типів. При високих рівнях бомбардування ці кластери взаємодіють поблизу по­верхні, утворюючи складну сітку дислокацій, що нагадує структуру після холодної деформації. Такі сітки дислокацій відновлюються при відповідних температурах, що обумовлені самодифузією, яку підсилюють вакансії. Дислокації переповзають або ковзають до поверхні. Однак імплантовані домішки можуть бути нерозчинними і закріплювати сітку дислокацій. Так, у випадку Al імплантованого високими дозами міді закріплювати дислокації будуть виділення CuAl₂, поки температура не стане достатньо високою для розчинення їх в матриці.

Розподіл імплантованих атомів на поверхні металу буде визначати концентрацію домішки, розташованої на поверхні розділу метал-оксид на початкових стадіях окислення і це найвірогідніше впливає на швидкість окислення. Пізніше, коли більшість атомів імплантованого елемента включається в оксид, імплантант буде перерозподілено в результаті складних механізмів перерозподілу аніонів і катіонів.

Той факт, що розподілення імплантованої домішки з самого початку добре визначається і контролюється, дає можливість спостерігати різними методами аналізу поверхні за міграцією імплантованих атомів під час окислення. Це може бути важливим методом визначення переміщення катіонів під час росту оксиду.

При бомбардуванні металу великими дозами іонів високих енер­гій вказані вище виділення можуть безперервно розсіюватися, на­приклад, перескакувати через границю виділення.

Імплантація іонів у метали з великими розмірами фаз може призвести до утворення сильно розвпорядкованої структури (аморфної). Це спостерігається при імплантації іонів вольфраму в мідь, титану в мідь і золота в платину.

В останньому випадку спостерігається цікавий спінодальний розпад структури до глибини 0.1 мкм.

Розпилення – інший, супроводжуючий іонну імплантацію механізм зіткнень, який може впливати на зносостійкість та окислення. Воно сильно змінює рельєф поверхні.

2.5.3.1. Титан

Першим металом, окислення якого стало предметом система­тичного вивчення, з врахуванням особливостей іонної імплантації, був титан. Було імплантовано 10 різних елементів дозами 10¹⁵ –10¹⁷ іон/см² при енергіях 100 – 500 кеВ. Це елементи Ar, Al, Cu, Ni, Zn, Y, In, Ce, Eu, Bi, які вибрані з метою найбільш ширшого охоплення всієї періодічної таблиці і відповідно одержання різних властивостей по­верхні. Цим експериментом було показано, що деякі елементи (імплантовані) пришвидшують окислення титану, інші протидіють йому. Іони кальцію і європію сповільнювали окислення, утворюючи пастки для мігруючих іонів кисню по границях зерен, які в подальшому слугують для блокування наступної міграції. Досліди показали, що в Ti найкраще імплантувати Ba, Pb, Cs, Sn, Cu. При цьому швидкість корозії сповільнюється на 20 – 40 %.

Рис.2.34. Вплив розпилення на вид поверхні зразка міді

інтенсивно опроміненої іонами аргону

2.5.3.2. Нікель

Використання нікелевих сплавів у високотемпературних корозійних середовищах і їх широке дослідження дало хорошу основу для вивчення впливу іонної імплантації на окислення нікелю і його сплавів. Досліди показали суттєвий вплив церію, кальцію і вісмуту на зниження ступеня окислення нікелю. Відомо також, що імплантація нікелю алюмінієм, кремнієм, хромом також суттєво сповільнює його окислення.

2.5.3.3. Хром

Бомбардування хрому власними іонами викликає незначне сповільнення окислення. Максимальне сповільнення окислення було досягнуто при бомбардування хрому рідкоземельними і лантаноїдними елементами. Празеодим, церій і торій сповільнюють окислення в 12-15 раз.

2.5.3.4. Сталь

Склад сталей, які застосовують в високотемпературних середовищах, досить різний, але найбільш важливими домішками для їх імплантації є хром, нікель, алюміній, кремній та ітрій. Основна ідея легування полягає в тому, щоби імплантований елемент міг утворити на поверхні виробу тонку, суцільну оксидну плівку з доброю адгезією типу YCrO₃, Cr₂O₃, Al₂O₃...

2.5.4. Підвищення опору зношуванню

Розглянемо конкретний приклад, коли зношування підшипників навігаційного обладнання відбувається газом під тиском, і його субкомпоненти. В деяких випадках при виготовленні підшипників використовують берилій (частково окислений,ВеО) внаслідок його високої стійкості, легкості (що дає малий момент інерції) і незначного температурного коефіцієнта розширення. Цей відносно м’який матеріал наносять на поверхню разом з твердим (таким як оксид хрому), що зменшує зношування в основному під час запуску і зупинки. Але нанесення вказаного покриття на деталь обмежується адгезією і порис­тістю шару.

Вирішенням цієї проблеми стала імплантація бору високими дозами при різних енергіях в берилій з метою утворення однорідного сплаву Be_xB_1-x товщиною 0.8 мкм. Бор було вибрано тому, що фази, які утворюються в системі Ве-В, дуже тверді і зносостійкі. Енергія і дози були спочатку вибрані таким чином, щоб досягти оптимальний і однорідний розподіл: ~ 10% бору в берилії на глибині 0.8 мкм. Крім того, відповідними дозами були імплантовані зразки до концентрації бору 20 і 40 % (ат). Мікротвердість вимірювали в наступному порядку: втискали алмазну пірамідку в поверхню зразка під навантаженням 5, 10, 25 г, вимірювали отриманий відбиток і по його величині визначали мікротвердість. На рис.2.35а,б подані результати визначення мікротвердості імплантованих зразків до і після відпалу при 650 °С (значення мікротвердості імплантованих зразків віднесені до мікротвердості неімплантованих при відповідних навантаженнях). Як ми сподівались, при малому навантаженні результати свідчать про зміни, до яких призвела імплантація.

На обох графіках показано значне збільшення мікротвердості із ростом концентрації бору. Додатковий відпал призводить до подальшого збільшення мікротвердості при високих концентраціях бору, в цьому випадку утворюються бориди берилію. Для дослідження берилієвих шарів, імплантованих бором, був використаний метод зворотнього розсіяння іонів. При цьому визначалась максимально досяжна концентрація бору і вплив відпалу на перерозподіл бору. Результати дослідів свідчать про можливість одержання достатньо високої кон­центрації бору, яка дозволяє утворити шар твердого бориду берилію ВеВ₂.

Фазова діаграма Ве – В підтверджує те, що ВеВ₂ може утворюватись при відпалі в шарі з 40% (ат) імплантованого бору. Аналіз розподілу бору після відпалу засвідчує можливість утворення бориду берилію.

Були також спроби впровадити бор у внутрішні шари берилію дифузійним шляхом для отримання твердої поверхні. Однак виявилось, що атоми берилію швидше проникають у бор, ніж бор в берилій. Така технологія стала непридатною для отримання відповідних по­верхневих шарів. При використанні іонної імплантації для отримання внутрішніх шарів, які містять бор, обмеження, що накладаються розчинністю бору, зникають; стає можливим отримання великих концентрацій бору і утворення необхідного шару при відповідній термічній обробці. При цьому також скорочуються час і температура витримки у порівнянні з дифузійним методом.

Рис.2.35. Відносна мікротвердість Н_μ, берилію, імплантованого бором, для різних навантажень індентора (цифри біля кривих) до (а) та після відпалу при 650 ^оС протягом 1 год (б) в залежності від концентрації бору

На рис.2.36–2.38 показано збільшення мікротвердості і опору зношуванню матеріалів після іонної імплантації.

Таким чином іонна імплантація збільшує опір зношуванню металів. Збільшення зносостійкості пояснюється наступним:

– ростом твердості в результаті введення іонів інших елементів (найчастіше іонів легких металів N, B, C або благородних газів);

– підвищенням пластичності поверхні металу в результаті імплантації іонів важких металів (Sn, Mo), які призводять до вигладжування поверхні тертя, а також утворюють шар мастила. Імплантація іонів деяких металів покращує мащення поверхні тертя (наприклад, Sn, Mo, S, Mo+S, N+Ca, N+Mo).

Рис.2.36. Швидкість зношування конічної голки твердістю HV 430 (а) і HV 223 (б) в залежності від номінального тиску на стальний диск. Сталь імплантована іонами Ar⁺ при 30 кеВ

Рис.2.37. Зміна твердості по Віккерсу в імплантованих ділянках зразка сталі після інтенсивного опромінення іонами азоту при 15 (а) і 24 кеВ (б). А і Б – опромінені ділянки

Рис.2.38. Електронна мікрофотографія алюмінієвого зразка опроміненого іонами міді дозою 4^.10¹⁶ іон/см² при ~ 40 ⁰С до (а) і після відпалу при 250 ⁰С протягом 24 год (б). Видно великі виділення q‑фази

Рис.2.39. Залежність зношування від дози іонів азоту: а) відносне зменшення швидкості зношування сталі 40, імплантованої іонами енергією 50 кеВ; б) інтенсивність зношування нержавіючої сталі марки Х10СrNiTi189

З числа імплантованих елементів найбільше досліджено вплив азоту на покращення трибологічних властивостей сталей. На рис.2.39 показаний графік залежності швидкості зношування від дози іонів азоту.

У результаті імплантації іонами елементів N, P, Co, Y, Zr, Cr, Ti зростає твердість шару імплантованого металу.

Імплантація призводить до зростання мікротвердості в результаті виникнення сильних стискаючих напружень, а також твердих мікрочасточок азоту, вуглецю і бору в залежності від типу і дози іонів (рис.2.40) та від температури імплантованого матеріалу (рис.2.41).

Рис.2.40. Зміна мікротвердості сталей в залежності від дози імплантованих іонів азоту при різних енергіях: 1- сталь105Cr4 (енергія 60 кеВ); 2 – сталь 100W1 (енергія 50кеВ)

Для покриття TiN, нанесеного на матеріал різними методами, в результаті його імплантації зростає адгезія в залежності від дози іонів і від температури.

Рис.2.41. Залежність мікротвердості сталі C100W1, імплантованої іонами вуглецю при різних дозах від температури сталі: 1- доза іонів 1^.10¹⁷С⁺ /см²; 2 - 3^.10¹⁷С⁺ /см²; 3 - 6^.10¹⁷С⁺ /см²; 4- 4^.10¹⁷С⁺ /см²; 5 - 3^.10¹⁷С⁺ /см²

2.5.5. Підвищення корозійної стійкості металів

Розглядаючи іонну імплантацію з точки зору обробки металу з метою сповільнення корозії, необхідно відмітити, що її застосування повинно бути економічно обгрунтоване. Так, на практиці невеликі дози іонів ітрію або рідкоземельних металів мають сильний вплив на високотемпературне окислення нержавіючої сталі і адгезію оксиду.

Експериментальні дослідження дозволяють виявити деякі по­тенційно корисні домішки або іонні добавки (наприклад: церію, алюмінію, ітрію, хрому, кальцію, барію...).

Важливі проблеми захисту від корозії виникають при дії на метали високотемпературного окислювального середовища. Авіаційні двигуни, ядерні реактори і енергетичні установки різних типів є прик­ладами дорогих систем, для яких термічне окислення має дуже важ­ливе значення. Тому нові сплави і методи обробки поверхні дуже перспективні для покращення службових характеристик і збільшення довговічності високотемпературних енергетичних установок.

Рис.2.42. Растрова електронна мікрофотографія поверхні вольфраму, імплантованого дейтерієм дозою 1·10¹⁶ іон/см² при 30 кеВ і 296К.

Вже добре відомо, що іонне бомбардування може впливати на характер окислення деяких металів. Так, імплантація іонами аргону призупиняє швидке потускніння свіжополірованої поверхні урану.

Переваги іонної імплантації як практичного методу обробки поверхні металів очевидні, зокрема, для підвищення їх зносостійкості і корозійної стійкості. Вони заключаються в наступному:

– процес можна проводити при низьких температурах (нижче 200 ⁰С), що виключає жолоблення сталі і втрати твердості, отриманої в результаті попередньої ТО;

– не проходять сильні зміни розмірів виробу і тому процес можна використовувати на останній стадії виробництва без погіршення якості обробки або поліровки поверхні;

– немає поверхні розділу (як у випадку покриттів), яка часто може бути об’єктом корозії;

– склад поверхні регулюється в широкому діапазоні, що забезпечує вирішення проблеми корозійної стійкості без впливу на властивості основного об’єму металу;

– вводиться дуже мала кількість домішки, тому при необхідності можна використовувати дорогі елементи без cуттєвого підвищення вартості процесу;

– метод можна застосовувати для різних матеріалів.

У результаті імплантації іонами елементів N, Cr, Al, Ta, Y, Sn, а також Ar, He, Cu, Ni підвищується опір корозії. Більшість досліджень було проведено з метою виявлення впливу імплантації на атмосферну корозію. Досліджена корозійна стійкість імплантованих сталей у різних кислотах і у воді.

Імплантація іонів призводить до підвищення опору корозії металів в окислювальних атмосферах в результаті:

– утворення в поверхневому шарі металу інтерметалідів з підвищеними фізико-хімічними властивостями. Наприклад, опір корозії титану, імплантованого паладієм, зростає у 1000 разів у порівнянні з неімплантованим;

– одержання при відповідному відборі іонів, а також їх доз і енергій в імплантованому матеріалі аморфних структур, які характеризуються вищою корозійною стійкістю. Аморфні властивості можна отримати і в результаті імплантації чистих металів та сплавів, на­приклад, Cu-Ta, W, Fe-Ti. Новоутворена аморфна структура визначається високою стабільністю, наприклад, мідь імплантована вольфрамом, не втрачає аморфних властивостей при температурі 600 ⁰С протягом 1,5 год;

– блокування шляхів дифузії кисню (в випадку імплантації атомів, які мають розміри більші за розміри атомів гратки, наприклад, барію, стронцію, кальцію або цезію – до титану);

– утворення щільних шарів окислів, наприклад, Al₂O₃,Cr₂O₃, SnO₂, SiO₂, YCrO₃, CaTiO₂, що утворюють бар’єр для процесів окислення;

– збільшення пластичності крихких шарів кисню, які запобігають утворенню мікротріщин, що відкривають імплантовану поверхню;

– імплантації іонів, що мають каталітичну дію, наприклад, платини та іонів металів цієї групи, які гальмують міграцію кисню;

– імплантації іонів, які гальмують катодні процеси, наприклад, Pb;

– модифікації електричної провідності оксидів.

На практиці іонна імплантація широко використовується для збільшення опору корозії металів.

2.5.6. Застосування технології імплантації

Іонна імплантація суттєво впливає на властивості матеріалів (табл.2.8).

Таблиця 2.8.

Вплив імплантації іонів на властивості матеріалів

Механічні властивості	Хімічні властивості	Електромагнітні властивості
Зношування Тертя Твердість Втома Адгезія Пластичність	Корозія Окислення Електрохімічні Каталізація	Фотопровідність Надпровідність Магнітні властивості Опір Діелектричні властивості

Наведені властивості мають велике значення в машинобудуванні, що дозволяє збільшити довговічність деталей від 2 до 10 разів.

У таблиці 2.9 наведені області застосування імплантації іонів.

Таблиця 2. 9.

Застосування імплантації іонів

Обладнання	Матеріал імплантації	Збільшення довговічності
Вид	Матеріал
Обладнання, яке використовується при пластичній обробці	Вироби з міді	WC-Co	Вуглець
Ножниці	Сталь нержавіюча	Азот	2-4
Ножниці	WC-Co	Азот
Матриці і штампи	Сталь, WC, WC-Co	Азот	2-5
Валки для протяжки міді і алюмінію	Сталь штампова	Азот	3-6
Обладнання для токарної обробки Деталі машин	Мечики	Сталь нержавіюча	Азот	8-10
Сверла до металу	Сталь нержавіюча	Азот	0,2-6
Плашки	Швидкорі-зальна сталь	Азот
Вприскувачі палива	Нержавіюча сталь	Азот
Лопатки турбін	Сплави Ni	Ітрій	Високий опір нагріву

Таблиця 2.10.

Практичне застосування технології іонної імплантації

Застосування	Матеріал імплантації	Доза і тип іонів	Збільшення твердості
Ножниці для різання паперу	Сталь 1%С, 1,6%Cr	8^.10^17 N^+ /см^2	х^.2
Ножниці для різання синтетичного каучуку	WC-6%Co	8^.10^17 N^+ /см^2	х^.12
Вкладки матриці	Сталь 1%Ni, 1%Cr	4^.10^17 Co^+ /см^2	30%
Матриці і штампи	Сталь 12%Cr, 2%C	4^.10^17 Co^+ /см^2	Значне змен­шення адгезійного зношування

Таблиця 2. 11.

Практичне застосування технології іонної імплантації

Матеріал	Призначення	Умови експлуатації	Дози 10^17іон/см^2	Ефект імплантації
Конструк-ційна сталь (lС,6Cr)	Ножниці для паперу	Абразивне зношування		Загальна довжина різу збільшилась в два рази
Хром	Деталі обладнання для виготовлення ацетатного волокна	Абразивне зношування		Покращилась якість продукції
Жароміцна нержавіюча сталь	Насадки штовхачів для продавлювання пластмаси і отримання полімерних ниток	Абразивне зношування		Час експлуатації збільшився в 4 рази
WC-6Со	Ножниці для синтетичної гуми	Абразивне зношування		Час експлуатації збільшився в 12 разів
Сталь 4Ni1Cr	Втулки і вкладки	Адгезійне зношування і корозія		Випадки виходу з ладу скоротились втроє
Сталь 12Cr2C	Матриці штампів	Адгезійне зношування і корозія		Сильно зменшилося адгезійне зношування
WC-6Co	Фільєри для формування мідних прутків	Екструзія		Число робочих циклів збільшилось в 5 разів
WC-6Co	Волоки	Екструзія		Суттєво збільшився термін експлуатації
WC-6Co	Фільєри для одержання стального дроту	Екструзія		Швидкість зношування зменшилась в 3 рази

Підвищення зносостійкості залежить як від виду імплантованого матеріалу й іонів, так і від співпрацюючого матеріалу. Технологія імплантації сталі азотом має багато спільного з поверхневою обробкою – азотуванням.

Перед імплантацією необхідно ретельно вимити і очистити поверхню від бруду і масел, які істотно і негативно впливають на імплантовані матеріали. Після імплантації метал стає чутливий до дії вологи. На даний час найчастіше використовують імплантацію металів цинком та вуглецем. Представляє значний інтерес для трибології імплантація бором, вуглецем, кремнієм, титаном, алюмінієм і комбінація Ti + C, N + O, Mo + S, Cr + C та інші.

2.5.7. Переваги та недоліки іонної імплантації

Іонна імплантація, як і будь-яка інша технологія, має позитивні і негативні сторони.

Позитивні аспекти технології полягають у наступному:

– теоретичній можливості імплантації будь-яких матеріалів будь-якими елементами таблиці Менделеєва за короткий час, при будь-якій температурі;

– можливість легкого управління електричним процесом, контролювати концентрацію іонів шляхом зміни дози і енергії іонів;

– можливість проведення процесу при низькій температурі (ниж­че 200 ⁰С);

– невелика енергоємність;

– чистота процесу (в вакуумі), без забруднення навколишнього середовища;

– економія металу.

До негативних сторін належать:

– невелика глибина імплантації матеріалу;

– неможливість імплантації поверхонь в складних формах і стін­ки отворів;

– великі затрати на імплантацію;

– можна імплантувати поверхні, які знаходяться в зоні про­ходження пучка іонів. Найкраще – це перпендикулярне розміщення до осі пучка іонів;

– необхідність ретельного приготування поверхні перед імплантацією;

– поява різниці в технологічних можливостях імплантації різними елементами, наприклад, легко імплантувати матеріали азотом, бором, вуглецем, цинком, кремнієм, важче – титаном, паладієм, ітрієм, дуже важко платиною;

– обслуговування процесу висококваліфікованими операторами;

– обов’язкове використання захисного обладнання, що оберігає від рентгенівського опромінювання, яке виникає в процесі роботи імплантаторів;

– невелика автоматизація процесу імплантації;

– можливість імплантації негабаритних деталей (максимальні розміри 1.5 х 1.5 м і довжина до 2.5 м).

Дата добавления: 2015-07-18