Теоретический анализ формирования концентрационных профилей ионов в металлических материалах при воздействии пучками вакуумно-дуговых источников

• Автор: Мельникова, Татьяна Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 104 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА
Массоперенос при ионном облучении твердых тел и способы его
описания
1.1. Физические процессы при взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом
1.1.1. Низкие дозы ионного легирования
1.1.2. Высокие дозы ионного легирования
1.2. Основные подходы при описании концентрационных профилей внедряемых ионов
1.2.1. Метод статистических испытаний
1.2.2. Метод моментов
1.2.3. Метод прямого решения уравнения переноса частиц в пространстве энергий-углов
1.2.4. Полиэнергетическая ионная имплантация
1.2.5. Обобщенное уравнение массопереноса
1.3. Постановка задач исследования
ГЛАВА
Модель формирования концентрационных профилей при воздействии ионными пучками вакуумно-дуговых источников
2.1. Модель формирования концентрационных профилей при высокодозовой ионной имплантации
2.2. Влияние диффузионных процессов
2.2.1. Массоперенос, обусловленный радиационно-стимулированной диффузией
2.2.2. Массоперенос, обусловленный термической диффузией
2.3. Модель формирования концентрационных профилей в режиме имплантации с растущим покрытием на поверхности мишени

ГЛАВА З
Анализ массопереноса при высокодозовой имплантации металлических материалов пучком источника «Радуга-5»
3.1. Характеристики вакуумно-дугового ионно-плазменного источника «Радуга-5»
3.2. Анализ формирования концентрационных профилей титана при облучении технически чистого никеля
3.3. Особенности имплантации ионами алюминия
3.3.1. Формирование профилей в технически чистом никеле и железе
3.3.2. Формирование профилей в титане марки ВТ 1-0 в режиме имплантации с растущим газо-металлическим покрытием
3.3.2.1. Модель без учета влияния формирующейся пленки
3.3.2.2. Модель, учитывающая рост пленки на поверхности
мишени
ГЛАВА
Анализ формирования концентрационных профилей внедряемых ионов при имплантации пучком источника «Диана-2» металлических материалов с различным структурным состоянием
4.1. Характеристики вакуумно-дугового источника «Диана-2»
4.2. Анализ концентрационных профилей алюминия и никеля при имплантации титана марки ВТ1-0 с различной зеренной структурой
4.3. Анализ концентрационных профилей в металлических материалах при облучении "тяжелыми" элементами
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Одним из эффективных способов улучшения характеристик металлических материалов является радиационная обработка пучками заряженных частиц, в частности, ионная имплантация [1-10]. Выделяют ряд преимуществ данного метода: возможность образования в поверхностных слоях соединений, синтез которых невозможен в обычных условиях; отсутствие резкой границы модифицированного слоя и объемом мишени и др. Распределение имплантированных ионов в веществе зачастую определяет изменение физико-химических характеристик, износо- и корозионностойкость изделия [2, 5]. От параметров ионного пучка во многом зависит и комплекс возникающих явлений при прохождении ускоренных ионов в твердом теле. Имплантеры, генерирующие пучки средне-энергетических (10-1000 кэВ) ионов, позволяющие набирать дозы не выше 1017 ион/см2, как правило, обеспечивают легирование в непрерывном режиме полупроводниковых и, реже, металлических материалов. Разработанные теоретические модели формирования концентрационных профилей внедряемых частиц для таких условий имплантации достаточно хорошо описывают и позволяют предсказывать экспериментальные результаты [11].
С модернизацией и разработкой новых имплантеров, генерирующих высокие дозы (~ 1017-1019 ион/см2) средне-энергетических частиц, появилась возможность модификации слоев значительной толщины с содержанием твердых растворов высокой концентрации, наноразмерных фаз внедрения и интерметаллидных соединений [6, 7]. К ускорителям такого типа относят класс источников на основе вакуумной дуги, вследствие чего в зависимости от материала катода генерируется пучок ионов различной зарядности от 1+ до 6+ [12] в определенном процентном соотношении. Такой пучок является энергетически неоднородным, т.е. полиэнергетическим. К представителям вакуумно-дуговых источников, широко используемых для обработки конструкционных материалов, относят имплантеры: «Диана-2» [13], «МЕУУА» [14], шесть вариантов «Радуга» [15] и другие [16-18]. В большинстве случаев при теоретическом анализе экспериментальных результатов при высоких дозах легирования влияние полиэнергетического характера ионного пучка на формирование концентрационных профилей, как правило, не учитывается; в расчетах принимается во внимание только средняя энергия ионов. Данное

2.2. Влияние диффузионных процессов
2.2.1. Массоперенос, обусловленный радиационно-стимулированной диффузией
Распределение примеси пх,О по глубине мишени с учетом диффузионных процессов и распыления поверхности будем описывать одномерным по пространственной координате уравнением массопереноса
а и, (*, 0 = £ 0{х) г», (*,»+у д п, {х, о+/м
5 ? бх 5 х 5 х
где х - расстояние от поверхности, распыляемой со скоростью V = 51//, 5 — коэффициент распыления (среднее количество атомов, выбиваемых из мишени одним ионом); _/ - плотность потока ионов; £>(х) - коэффициент диффузии; И0 -концентрация атомов мишени; Дх, ?) - функция источника.
Подобного типа уравнения непосредственно аналитически решать затруднительно, однако существует несколько методов, допускающих в отдельных случаях сведение их к обыкновенному дифференциальному. Метод, предложенный Больцманом [85], является весьма эффективным и заключается в том, что вводится
новая переменная г, связанная с х и г соотношением ?7 = х - (?)~°5. Такая подстановка позволяет перейти от двух переменных х и ? к одной ц, но имеет ограниченную область применения и справедлива лишь только в тех случаях, когда концентрация диффундирующего вещества не зависит отдельно от х и от Т а является функцией их комбинации.
Уравнение (2.5) на полупрямой обычно дополняется следующими начальным и граничными условиями:
иДх,0) = О, = 0, Пт«,(х, 0 = 0. (2.6)
О X дг->0°
Однако в нашем случае начальное значение должно быть задано в виде функции, описывающей профиль, сформированный статистическим образом на начальной стадии имплантации.
При больших временах легирования и коэффициенте распыления поверхности больше единицы быстро наступает стационарный режим (число внедряемых ионов равно числу распыленных). Распределение ионов по глубине