Формирование ионных потоков из плазмы короткоимпульсными потенциалами смещения

• Автор: Рябчиков, Игорь Александрович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 149 с. : ил.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИОННЫХ ПОТОКОВ ИЗ ПЛАЗМЫ В УСЛОВИЯХ ЭРОЗИИ ЭМИССИОНОЙ ГРАНИЦЫ
1.1. Исследования по формированию сильноточных пучков заряженных частиц в плазмонаполненных системах
1.2. Плазменно-иммерсионная имплантация
1.3. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и осаждение покрытий с использованием плазмы вакуумной дуги
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Установка для проведения исследований
2.2. Импульсно-периодический источник ионных пучков и плазмы «Радуга 5» на основе непрерывной вакуумной дуги
2.3. Электромагнитный плазменный фильтр для очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции
2.4. Диагностика параметров ионного пучка и плазмы
2.5. Оборудование для исследования свойств материалов и покрытий
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ КОРОТКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ К ОБРАЗЦАМ, ПОГРУЖЁННЫМ В ПОТОК ПЛАЗМЫ
3.1. Физическая модель
3.2. Проводящие мишени
3.3. Диэлектрические мишени
3.4. Использование биполярных импульсов смещения
3.5. Экспериментальное исследование энергетических спектров потоков ионов, формирующихся в плазмонаполненной системе при короткоимпульсных потенциалах смещения
3.6. Применение короткоимпульсных потенциалов смещения для случая абляционной плазмы
3.7. Численное моделирование процессов
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ В ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОМ ПОДХОДЕ
4.1. Концепция плазменно-иммерсионного времяпролётного спектрометра зарядового и массового состава плазмы
4.2. Исследование влияния амплитуды импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов
4.3. Исследование влияния длительности импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов
4.4. Исследование возможности улучшения характеристик плазменно-иммерсионного времяпролётного спектрометра
4.5. Анализ влияния различных факторов на разрешающую способность плазменноиммерсионного времяпролётного спектрометра
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРОТКОИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
ИОНОВ (ВКПИИИ) И (ИЛИ) ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
5.1. Метод высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации
I ионов и (или) осаждения покрытий

Ионные пучки и плазменные потоки находят всё более широкое применение в технологиях модификации поверхностных свойств материалов. Так, например, ионная имплантация (ИИ) в промышленных масштабах используется для управляемого изменения свойств полупроводников. В то же время применение ионной имплантации для модификации свойств металлических и диэлектрических материалов ограничивается малой толщиной модифицируемого слоя и сложностью технической реализации обработки промышленных изделий с развитой поверхностью.
Практически значимые результаты применения ионной имплантации для направленного изменения свойств материалов появились в результате развития метода плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ, или ПИ3) [1]. Сущность метода заключается в погружении изделия в плазму, подаче на него отрицательного потенциала смещения, ускорении ионов из плазмы и их имплантации в поверхность твёрдого тела. Преимущества метода ПИ3 по сравнению с обычной ИИ обусловлены, прежде всего, простотой реализации технологического процесса и возможностью почти равномерной ионной обработки деталей сложных форм, в том числе и внутренних поверхностей протяжённых отверстий. Для реализации ПИ3, в основном, используется плазма различных га-9 зов. Металлическая плазма непрерывной вакуумной дуги, обеспечивающая
возможность ионной имплантации многих элементов периодической системы и их композиций, в силу ряда причин пока не получила должного развития в плазменно-иммерсионном подходе. Ограничения связаны, как с наличием в плазме вакуумной дуги значительного количества микрокапель, существенно снижающих эффективность ионной имплантации, так и с ростом покрытий, обусловленным взаимодействием металлической плазмы с поверхностью мишени в промежутках между импульсами потенциала смещения.
9 Применение длинных импульсов значительных по амплитуде потенциа-
‘ лов смещения на образцы, погружённые в плазму, сопровождается уходом
либо фиксированным расстоянием между образцами и границей эмиссии плазмы (случай ограничения границы эмиссии сеточным электродом, см. например [98-100]). Иммерсионная имплантация из плазмы металла в проводящие материалы, с учётом активной составляющей нагрузки для генератора импульсов и наличия направленной скорости у плазменного потока, может осуществляться как при постоянном, длинноимпульсном, так и при короткоимпульсном потенциале смещения на держателе и, соответственно, на образцах.
Существует два характерных этапа формирования слоя разделения зарядов вблизи поверхности потенциального электрода, погружённого в плазму.
Первый этап связан со значительно большей подвижностью электронов в сравнении с ионами и заключается в формировании «быстрого» слоя экранирования потенциала электрода от плазмы объёмным зарядом ионов. При этом ионы остаются практически неподвижными. Толщина слоя разделения зарядов может быть легко найдена из уравнения Пуассона с учётом того, что за время разделения зарядов приращения скоростей ионов очень малы и их концентрация ещё однородна по всему сформированному зазору:
где фсм - потенциал смещения, поданный мгновенно (прямоугольно) на погружённый в плазму электрод, п - концентрация плазмы, Ъ - зарядность ионов в плазме.
Ускорение ионов в образовавшемся слое разделения зарядов приводит к перераспределению их концентрации по зазору, но с учётом закона непрерывности тока ионный ток во всём зазоре постоянен и его величина равна току ионов из плазмы вакуумной дуги:
(3.1)
/ = 2-в- П’У
^ II. пл.
(3.2)
Здесь Упл - скорость движения плазменного потока.