СПОСОБ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ И ПЛАЗМЕННОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2004 года по МПК C23C14/48 H01J37/317 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов путем нанесения покрытий или изменения состава поверхностных слоев ионной имплантацией.

Известен способ ионной имплантации (см. а.с. 1412617, МКИ H 01 J 37/317), заключающийся в следующем. С помощью импульсного вакуумно-дугового разряда генерируют плазму, из которой затем ускоряют ионы. Ускоренными ионами облучают образец, затем вновь генерируют импульсы плазмы и воздействуют на образец потоком плазмы. Указанные операции повторяют многократно и поочередно. В данном способе осаждение плазмы компенсирует распыление поверхности материала образца под действием ионной бомбардировки, что позволяет повысить в образце концентрацию имплантируемой примеси. Однако поочередное облучение образца ионами и плазмой приводит к осаждению на образце, в промежутках между импульсами, посторонних примесей.

Этот недостаток устранен в способе импульсно-периодической ионной и плазменной обработки по а.с. 1764335, МКИ С 23 С 14/32. По этому способу также с помощью вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы и ускоряют ионы. В отличие от предыдущего способа в каждом импульсе генерации плазмы из нее ускоряют ионы и проводят облучение образца плазмой и ионами как одновременно, так и последовательно. Соотношение доз ионного и плазменного воздействия регулируют соотношением длительностей импульсов генерации плазмы и ускорения ионов.

Устройство для осуществления этого способа содержит импульсный генератор плазмы на основе вакуумно-дугового разряда и систему ускорения ионов из плазмы. Источник питания дугового разряда и источник ускоряющего напряжения синхронизированы, при этом импульс питания дуги длиннее импульса ускоряющего напряжения. В результате в одном импульсе горения дуги происходит обработка образца как ионным пучком, так и плазмой после окончания действия импульса ускоряющего напряжения. Устройство имеет низкий ресурс работы, определяемый двумя факторами. Во-первых, ресурс работы вакуумного дугового испарителя при его работе в импульсном режиме определяется разрушением элементов узла поджига. Во-вторых, за время длительности импульса горения дуги (а это время составляет сотни мкс) катодное пятно не успевает переместиться на значительное расстояние по поверхности катода, что ограничивает рабочую поверхность, а следовательно, и рабочий объем катода. С импульсным характером процессов плазменного и ионного облучения связана и невысокая производительность ионно-плазменной обработки. Повышение ее за счет удлинения импульсов облучения приводит к появлению в процессе облучения в ионном и плазменном потоках микрокапельной фракции, а следовательно, ухудшает качество обработки материалов. Таким образом, по-прежнему остается актуальной задача создания высокопроизводительного способа ионной и плазменной обработки изделий, реализуемого в установках с высоким ресурсом работы.

Эту задачу решает способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия (A.I.Ryabchikov, Surf. Coat. Technol. 96, 9 1997), выбранный нами за прототип. В прототипе генерацию плазмы осуществляют непрерывно с помощью постоянного вакуумно-дугового разряда, а ускорение ионов из этой плазмы производят импульсно-периодически. Формирование импульсов ионов осуществляют путем приложения к ускоряющему зазору ионного источника импульсов напряжения амплитудой до 50 кВ, длительностью 200-400 мкс, с частотой следования от единиц до 200 импульсов в секунду (см. там же) или путем приложения импульсного потенциала отрицательной полярности с длительностью импульсов 200 мкс и частотой следования до 200 имп/с к образцу (А.И.Рябчиков, Е.И.Луконин, Д.А.Карпов. Труды IX симпозиума по сильноточной электронике, Екатеринбург, т.3, с.86, 1992). Такие способы формирования импульсов ионного потока обеспечивают коэффициент заполнения до 0,08. Затем многократно и поочередно облучают образец ускоренными ионами и плазмой. Соотношение доз облучения плазмой и ускоренными ионами регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряющего напряжения в указанных выше диапазонах и изменением расстояния от источника до изделия.

Способ-прототип имеет ряд ограничений. В технологических процессах нанесения покрытий и ионной имплантации большое значение имеет предварительная подготовка поверхности образцов. Обычно подготовка включает в себя режимы предварительной ионной очистки и активации поверхности образцов, их нагрева перед основной обработкой. В способе-прототипе реализация этих режимов связана с определенными техническими сложностями, обусловленными невозможностью выполнения ионной обработки без осаждения покрытия.

Кроме того, для ряда технологических процессов ионное облучение целесообразно проводить в короткоимпульсном режиме. Так, в способе-прототипе возникают значительные проблемы при обработке диэлектриков и полупроводников, так как ионное облучение таких образцов импульсными пучками длительностью 100 мкс и более сопровождается накоплением заряда в поверхностном слое образца. После окончания импульса ионного пучка положительный потенциал в диэлектрике сохраняется до прихода плазмы. Поскольку источник обычно расположен на значительном расстоянии L от образца (несколько десятков сантиметров), то время t, в течение которого не происходит компенсация заряда в диэлектрике, оказывается значительным. Так, например, при L=20-50 см, υ_пл=2·10⁶ см/с (скорость распространения плазмы вакуумной дуги), t=10-25 мкс. При таких временах задержки компенсации заряда в диэлектрике возможны процессы пробоя по поверхности или объема самого диэлектрика (при малой толщине образца). Формирование длинных импульсов ионных потоков подачей отрицательного потенциала смещения на образцы или держатель образцов не позволяет обрабатывать металлы, т.к. появляется большая вероятность возникновения дугового разряда между образцами и элементами вакуумной системы. Возникает необходимость применять дугогасящие устройства, что усложняет реализацию способа. В то же время простое уменьшение длительности ионного потока в прототипе приведет к заметному снижению производительности способа, так как для набора той же дозы, например, при ионной имплантации необходимо значительно увеличить время обработки. Кроме того, уменьшение длительности ионного пучка, формируемого в источнике, в прототипе представляет собой сложную задачу, решаемую с заметными энергетическими потерями.

Таким образом, задачей изобретения является создание высокопроизводительного способа ионной и плазменной обработки изделий, реализуемого в установках с высоким ресурсом работы.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снятии ограничений для реализации различных режимов обработки материалов в одном технологическом процессе и в одной установке, т.е. в расширении технологических возможностей способа и установки.

Для решения этой задачи в способе импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий, как и в прототипе, производят генерацию плазмы дуговым разрядом в непрерывном режиме, импульсно ускоряют ионы из этой плазмы и поочередно облучают образцы ионами и плазмой с регулировкой соотношения доз облучения ускоренными ионами и плазмой.

В отличие от прототипа на разных стадиях технологического процесса из плазмы дугового разряда формируют наряду с длинноимпульсным потоком ускоренных ионов с длительностью 100-400 мкс и заполнением 1-8% также и короткоимпульсный поток ионов с длительностью в диапазоне от 0,1 до 10 мкс с заполнением импульсов 8-99%. В этом случае короткоимпульсный ионный поток формируется из плазменного потока, который распространяется в паузах между длинными импульсами ионов, т.е. происходит наложение двух импульсно-периодических потоков с разной длительностью и частотой следования. На отдельных стадиях или в отдельных процессах возможны альтернативные варианты, когда формируют только длинноимпульсный или только короткоимпульсный поток ионов с указанными выше параметрами.

Длинные импульсы ионных пучков формируют традиционным способом, а именно путем приложения ускоряющего напряжения амплитудой 10-100 кВ длительностью импульсов 100-400 мкс с частотой следования импульсов от 1 до 200 имп/с к ускоряющему зазору ионного источника.

Короткоимпульсные ионные потоки согласно изобретению формируют двумя вариантами. По одному варианту ионный пучок из плазмы дугового разряда или (в случае совместного длинно- и короткоимпульсного облучения) из плазмы, распространяющейся в сторону образца в промежутках между длинными импульсами ускоряющего напряжения, формируют путем приложения к держателю образца импульсов напряжения отрицательной полярности с амплитудой в диапазоне 10²-10⁴ В, с длительностью импульсов в диапазоне 0,1-10 мкс, с частотой следования в диапазоне 8·10³-9,9·10⁶ имп/с.

Для повышения производительности способа и упрощения его реализации при одновременной обработке группы образцов формирование импульсно-периодического ионного потока целесообразно производить приложением между электрически разделенными держателями образцов или группами образцов переменного напряжения частотой 10⁴-10⁷ Гц и амплитудой 10²-10⁴ В. В этом случае ионные потоки будут формироваться в отрицательные полупериоды переменного напряжения поочередно на группах образцов. Общеизвестно, что техническая реализация источника переменного напряжения более проста, чем источника однополярного импульсного напряжения.

Таким образом, обработка образцов суммарным потоком ионов соответствует режиму высокоинтенсивного ионного облучения и происходит ионная очистка и разогрев поверхности образца. Наличие короткой по времени плазменной составляющей между импульсами ионного потока нейтрализует накапливаемый при ионной обработке заряд на поверхности непроводящего образца. Стадия нанесения покрытий требует плазменной обработки изделия, поэтому ее проводят либо в одном короткоимпульсном режиме с заполнением импульсов, лежащим в пределах от нижней границы заявляемого диапазона до его среднего значения, либо в одном длинноимпульсном режиме. Выбор режима зависит от решаемой технологической задачи.

При обработке непроводящих материалов или проводящих образцов сложной формы, в том числе и при обработке внутренних поверхностей изделий, обработку целесообразно проводить только короткоимпульсным потоком. Короткая (менее 10 мкс) длительность импульсов ионного облучения при обработке непроводящих материалов не успевает привести к такому накоплению объемного заряда в каждом импульсе, которое могло бы вызвать пробой диэлектрика. При обработке металлов при этих же длительностях импульсов отрицательного смещения резко снижается вероятность возникновения катодных пятен и формирования дуговых разрядов на образцах. Даже при появлении катодного пятна на образце время его существования не будет превышать длительности импульса и в этом случае не требуется применение каких-либо дугогасящих систем. Кроме того, поскольку в этом случае отрицательный потенциал прикладывается непосредственно к образцам, то ускоряющий ионы зазор формируется при разделении зарядов в плазме непосредственно вблизи поверхности образцов и в любой точке даже сложного по форме образца ускоренные ионы подходят к поверхности и внедряются в нее вдоль линий напряженности электрического поля. Таким образом, достигается однородная ионная обработка сложных по форме образцов, а также внутренних поверхностей изделий. В то же время при заполнения импульсов более 8% достигается доза ионного облучения, необходимая, например, для ионного перемешивания плазменно осаждаемого покрытия. Максимальное заполнение импульсов 99% обеспечивает практически одну ионную компоненту на образце, но с нейтрализацией объемного заряда на образце в случае обработки диэлектрика.

Для расширения номенклатуры покрытий целесообразно формировать поток плазмы не только из чистых металлов, а также сплавов и композитных материалов. В качестве чистых металлов могут быть использованы как тугоплавкие материалы, такие как Та, Мо, W и др., так и обычные металлы, такие как Аl, Сu, Ag, Au и др. Кроме того, предлагаемый способ позволяет использовать в качестве испаряемого материала углерод.

Для увеличения производительности ионной и плазменной обработки образцов могут быть использованы дополнительные источники металлической плазмы, такие как вакуумно-дуговые испарители, магнетронные распылительные системы и др. При этом металлическая плазма дополнительных источников может как совпадать, так и отличаться по составу от плазмы основного источника ионов и плазмы. В последнем случае появляется возможность нанесения сложных по составу или многослойных металлических покрытий. Дополнительные источники плазмы увеличивают концентрацию плазмы, а соответственно и интенсивность короткоимпульсного ионного потока, формируемого у образца.

При этом в совместном режиме обработки двумя потоками ионов даже во время действия длинного импульсного пучка ионов появляется короткая плазменная составляющая от дополнительного источника, обеспечивающая нейтрализацию заряда на образце, что позволяет использовать указанный режим при обработке непроводящих материалов. Кроме того, учитывая, что ионный пучок, сформированный в ионном источнике, имеет определенные размеры и распространяется прямолинейно, он будет воздействовать только на те образцы и на те их поверхности, которые расположены на пути пучка. Воздействию коротких по длительности ионных пучков будут подвергаться поверхности, вблизи которых имеется плазма. А поскольку плазма имеет свойство обтекать образцы и проникать в углубления, то короткоимпульсной ионной обработке будут подвергаться даже участки, не находящиеся на пути длинноимпульсного ионного пучка, в том числе и внутренние поверхности образцов.

Покрытия из химических соединений по предлагаемому способу можно наносить в среде реактивных газов. Того же результата можно добиться, проводя дополнительное облучение образцов потоком плазмы реактивных газов. Так, для формирования покрытий с заданными свойствами, например на основе нитридов или оксидов, применяют плазму реактивных газов О₂, N и т.п. Дополнительное облучение газовой плазмой позволяет также реализовать режимы очистки поверхности образцов без осаждения покрытий. Для очистки и активации поверхности образцов перед основной ионной обработкой и нанесением покрытий целесообразно использовать плазму инертных газов, таких как Ne, Аr, Кr, Хе и др. При этом газовая плазма от дополнительных источников выполняет кроме всего прочего еще и функцию нейтрализации заряда, как это описано для металлической плазмы.

Для формирования карбидных покрытий, а также при реализации технологий нанесения алмазоподобных покрытий в качестве газовой плазмы целесообразно использовать углеводородную плазму. Возможно также формирование плазмы из смесей различных газов.

При реализации технологии нанесения алмазных или алмазоподобных покрытий из углеродной плазмы, независимо от способа ее получения (только вакуумной дугой или совместно с дополнительным источником углеводородной плазмы) величину импульсно-периодического потенциала отрицательной полярности на образце выбирают из условия, чтобы средняя энергия ионов, поступающая на образец, находилась в пределах 100-500 эВ. Выбор определяется в зависимости от толщины диэлектрика и его диэлектрической проницаемости (если покрытие наносится на диэлектрик), частоты следования импульсов и с учетом энергии ионов в плазме. Следует отметить, что непроводящие или слабо проводящие алмазные и алмазоподобные покрытия можно получить только при нейтрализации заряда на образце, которую обеспечивает предлагаемый способ.

Для реализации метода высококонцентрационной ионной имплантации с компенсацией ионного распыления поверхности осаждением плазмы частоту следования импульсов ионного облучения (при любых вариантах импульсно-периодического формирования ионных потоков) выбирают из условия равенства скоростей плазменного осаждения покрытий и ионного распыления поверхности. Этот режим соответствует накоплению концентрации имплантируемых атомов пропорционально дозе облучения. В отличие от обычного метода ионной имплантации снимается проблема ограничения максимально достижимой концентрации внедренных атомов ионным распылением поверхности. Кроме того, в данном подходе интегральная доза внедренных атомов будет больше дозы облучения за счет внедрения атомов из осаждаемой пленки в виде атомов отдачи. Последнее приводит к повышению эффективности метода и коэффициента полезного действия любой установки, реализующей данный способ.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. На фиг.1 и 9 показаны принципиальные схемы установок для реализации способа, отличающиеся методом формирования короткоимпульсного ионного потока. На фиг.2-5 показаны формы импульсов ионных потоков: длинноимпульсного (фиг.2), короткоимпульсного (фиг.3), результирующего (фиг.4) и результирующего в условиях дополнительного облучения (фиг.5). На фиг.6 и 7 показаны расчетные зависимости энергии ионов титана от времени для прямоугольного и непрямоугольного импульсов смещения на образцах. На фиг.8 представлена типичная зависимость от времени энергии ионов углерода, попадающих на диэлектрический образец. На фиг.1- 9 обозначено:

1 - дуговой источник ионов и плазмы;

2 - титановый катод;

3, 6 - плазменный фильтр;

4 - вакуумно-дуговой испаритель;

5 - катод из алюминия:

7 - источник газовой плазмы;

8 - рабочая камера;

9 - держатель;

10 - обрабатываемый образец;

11 - ускоряющий электрод;

12 - источник ускоряющего напряжения;

13 - однополярный источник напряжения смещения;

14 - источник переменного напряжения.

Рассмотрим реализацию способа на конкретных примерах.

Пример 1. Формирование на металлических и непроводящих образцах покрытий сложного состава типа TiAlN. Дуговой источник ионов и плазмы 1, работающий в непрерывном режиме, содержит титановый катод 2. Плазма непрерывного дугового разряда очищается от микрокапельной фракции с помощью плазменного фильтра 3. В частности, можно использовать фильтры, конструкция которых описана в патентах RU №2097868, 2108636 или 2107968.

Для покрытия указанного сложного состава необходим дополнительный поток алюминиевой плазмы. Дополнительный поток можно формировать любым способом. В нашем примере - это вакуумно-дуговой испаритель 4 с катодом 5 из алюминия. Здесь следует отметить, что в случае использования катодов из тугоплавких металлов, таких как Мо, Та, W, плазменный фильтр не обязателен. В случае же катода из алюминия дуговой испаритель обязательно должен быть оснащен плазменным фильтром 6. Для покрытия, в состав которого входит азот, необходим дополнительный источник газовой азотной плазмы 7. В рабочей камере 8 на некотором расстоянии от дугового испарителя 1 на держателе 9 расположен обрабатываемый образец 10.

Рабочая камера 8 и объемы дуговых источников откачаны до давления 10^-4-10^-6 мм рт. ст. На первой стадии технологического процесса нанесения покрытия необходимо осуществить ионную очистку и разогрев поверхности образца 10 до определенной температуры. Эту операцию более эффективно проводить тяжелыми ионами. В данном примере очистку проводят ионами титана в режиме совместного облучения образца 10 двумя потоками ионов: длинноимпульсным и короткоимпульсным. Длинноимпульсный поток ионов формируют приложением между фильтром 3 и ускоряющим электродом 11 импульсно-периодического напряжения амплитудой 20-50 кВ от источника 12. Для этой стадии целесообразно выбирать максимально возможную длительность импульсов и частоту их следования.

Короткоимпульсный поток ионов формируют приложением к держателю 9 образца 10 импульсного отрицательного потенциала смещения от источника 13 с параметрами: длительность импульсов 0,1-10 мкс с заполнением импульсов, лежащим в пределах от среднего значения до верхней границы диапазона, а именно в пределах 50-99% при ускоряющем напряжении 1-10 кВ. Ускоряющее напряжение и заполнение импульсов выбирают в зависимости от материала и массы образцов. В соответствии с выбранными длительностью импульсов напряжения и заполнением импульсов определяется частота f следования импульсов напряжения источника 13, которая в примере составляет f=2,64·10⁵ имп/с, при длительности импульсов τ=2,5 мкс и заполнении импульсов 66%. На фиг.2 - 5 формы импульсов ионных потоков для большей ясности картины показаны без соблюдения временных масштабов. Как видно из фиг.4, эта стадия соответствует ионному распылению и нагреву материала, плазменная составляющая минимальна и не может обеспечить нанесения покрытия. Следует отметить, что предлагаемым способом можно проводить ионную очистку поверхности непроводящих образцов без риска вызвать их пробой за счет накопления заряда. Для этого необходимо включить любой из дополнительных источников плазмы 4 или 7, плазма которого поступает непосредственно в рабочую камеру 8. Поэтому на образце как во время действия импульсов смещения, так и во время облучения образца длинноимпульсной ионной составляющей будет присутствовать короткоимпульсная плазменная составляющая (см. фиг.5), обеспечивающая нейтрализацию заряда, накопленного на поверхности диэлектрического образца за время ионного облучения. Наряду с процессами очистки на этой стадии происходит легирование ионами титана приповерхностного слоя образца. Легирование происходит за счет имплантации высокоэнергетичных ионов длинноимпульсного и короткоимпульсного потоков ионов. При необходимости формирования переходного слоя между образцом и покрытием с высокой концентрацией внедренных атомов, обеспечивающей улучшение адгезионных свойств наносимого покрытия, частоту следования и длительность импульсов ионного облучения выбирают из условия равенства потоков ускоренных ионов на образец и распыленных атомов с поверхности образца.

После достижения на образце температуры 350-450°С, контролируемой по показаниям пирометра или любого другого прибора, осуществляют следующую стадию процесса, а именно осаждение покрытия. При нанесении покрытия из одного металла, например Ti, необходимо создать режим осаждения плазмы. Для этого уменьшают заполнение короткоимпульсного ионного потока до 8-50% за счет уменьшения частоты следования импульсов, их длительности или того и другого. Одновременно снижают и величину импульсного напряжения смещения до 0,1-3 кВ. Регулировкой заполнения импульсов и величины напряжения смещения (или одним из них) обеспечивают поддержание заданного температурного режима в процессе плазменного осаждения покрытия. Для увеличения скорости осаждения покрытий в данной технологии используют металлическую плазму дополнительных источников любого типа, включая дуговые, магнетронные и другие с составом плазмы, совпадающим с составом плазмы основного источника. Для нанесения покрытий сложного состава TiAlN включают дополнительные источники 4 и 7 плазмы алюминия и азота. Это приводит к увеличению концентрации и изменению состава плазмы вблизи образцов 10. Процесс нанесения покрытия будет происходить так же, как описано выше. После нанесения покрытия нужной толщины процесс закончен.

Для получения необходимого стехиометрического состава выбирают соответствующие потоки плазмы Ti, Al и N. При необходимости увеличения общей концентрации плазмы вблизи поверхности образца при сохранении стехиометрического состава формируемого покрытия увеличивают концентрацию газовой плазмы за счет добавления в поток азота инертного газа, например Аr и др., формируя плазму из смеси различных газов.

Пример 2. В качестве второго примера рассмотрим процессы, происходящие вблизи поверхностей проводящих и непроводящих образцов при их обработке короткоимпульсными ионными потоками и плазмой. Эта технология реализуется при подаче на образцы, размещенные в плазменном потоке, импульсно-периодического отрицательного потенциала смещения. При этом вблизи образца формируется слой разделения зарядов, являющийся ускоряющим зазором для ионов плазмы. Стадия очистки образцов в этой технологии реализуется при подаче на образцы отрицательного потенциала смещения с заполнением импульсов в диапазоне 50-99% при амплитуде напряжения в диапазоне 1-10 кВ. На стадии осаждения покрытий длительность импульса и/или частоту следования импульсов снижают, уменьшая заполнение импульсов до 8-50%, а напряжение смещения уменьшают до 0,1-3 кВ. Регулировку температурного режима на этой стадии обеспечивают за счет изменения заполнения импульсов и/или амплитуды напряжения смещения в указанных выше диапазонах. Плазменный поток от непрерывного вакуумно-дугового испарителя 1, расположенного на достаточно большом расстоянии от держателя 9 образца 10, движется в его сторону с направленной скоростью υ≈2·10⁶ см/с. К образцам от источника 13 приложено импульсное напряжение смещения, под действием которого происходит формирование ионного потока, обеспечивающего имплантацию ионов. Облучаемые образцы 10 из проводящего, полупроводящего или диэлектрического материала располагаются на металлическом держателе 9. Физика процессов, обеспечивающих формирование потоков ускоренных ионов в случаях использования образцов из проводящих и диэлектрических материалов, будет отличаться. В случае металлических образцов нагрузка в цепи источника питания при облучении будет иметь как емкостную, так и активную составляющую. Емкостная составляющая будет проявляться только в переходный период расширения ускоряющего зазора до его стационарного состояния, определяемого либо условиями выполнения закона Чайлда-Ленгмюра, либо фиксированным расстоянием между образцами и границей эмиссии плазмы (случай ограничения границы эмиссии сеточным электродом). Имплантация ионов в проводящие материалы, с учетом 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. Однако использование постоянного или длинноимпульсного потенциала смещения чревато возможностью появления на образце катодных пятен. Использование же короткоимпульсного режима формирования ионного пучка резко снижает эту вероятность.

Результаты численного моделирования энергетического спектра ионов титана, попадающих на образец для импульсов напряжения смещения двух различных форм, представлены на фиг.6 и 7.

Для диэлектрических образцов, например резина, тефлон, стекло, керамика и др., имплантация длинноимпульсными потоками ионов становится неэффективной по следующим причинам. Если диэлектрический образец полностью перекрывает держатель, то активная составляющая нагрузки исключается целиком и процессы ускорения ионов определяются лишь емкостной составляющей. Электрическое поле, возникающее у поверхности диэлектрика при подаче отрицательного потенциала на держатель, будет определяться толщиной диэлектрика, его диэлектрической проницаемостью, динамикой накопления ионов на поверхности диэлектрика, равно как и параметрами плазмы и потенциала смещения. При длинных импульсах потенциала смещения и относительно высокой плотности плазмы зарядка диэлектрика может произойти достаточно быстро и тогда все электрическое поле будет сосредоточено только внутри конденсатора, состоящего из заряженной поверхности диэлектрика и потенциального электрода. Дополнительного ускорения ионов вблизи поверхности после зарядки диэлектрика происходить не будет. На фиг.8 для примера показана зависимость энергии ионов углерода, попадающих на диэлектрический образец толщиной 1,5 мм с s=20, от времени. Электрическое поле вне этого конденсатора в дальнейшем будет отсутствовать, поэтому применять импульсы смещения, по длительности превышающие время зарядки поверхности диэлектрика, представляется нецелесообразным. Исходя из этого, важно определить требуемые параметры плазмы, мишени и импульса смещения для реализации энергетически оптимальных режимов импульсной имплантации ионов с использованием металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым источником в непрерывном режиме.

Если плазменный поток непрерывен во времени, то после снятия потенциала смещения с держателя 9 между поверхностью диэлектрического образца 10, заряженной ионами, и плазмой появляется электрическое поле, благодаря которому из плазмы извлекаются уже не ионы, а электроны. Ток электронов и их подвижность существенно больше тока и подвижности ионов, поэтому процесс компенсации заряда на поверхности диэлектрика будет происходить почти мгновенно. Оценки показывают, что время компенсации заряда не будет превышать нескольких наносекунд. Время компенсации играет важную роль, поскольку фактически определяет допустимый фактор заполнения импульсов при реализации импульсно-периодических режимов короткоимпульсной имплантации ионов. При использовании, например, импульсов смещения микросекундной длительности и допустимых времен паузы между импульсами коэффициент заполнения может приближаться к единице. С другой стороны, это означает, что при высоких коэффициентах заполнения, приближающихся к 1, возможна реализация не только режима осаждения плазмы с ионным перемешиванием, но и режимов обычной и высоконцентрационной ионной имплантации.

В альтернативном варианте технология высокочастотной короткоимпульсной имплантации ионов может быть реализована более простым методом за счет применения переменного, т.е. биполярного потенциала смещения. При этом образцы располагают на двух держателях, к выводам которых подключают высокочастотный 10⁴-10⁷ Гц источник переменного напряжения 14 (см. фиг.9). Изменение режимов обработки на разных стадиях процесса осуществляют регулировкой амплитуды высокочастотного напряжения в диапазоне 10²-10⁴ В.

Пример 3. Нанесение алмазоподобных покрытий. Нанесение алмазоподобного покрытия может быть осуществлено как с использованием углеродной плазмы, формируемой вакуумно-дуговым испарителем 1, оснащенным плазменным фильтром 3, так и с дополнительной углеводородной плазмой от источника газа, или газовой плазмы от дополнительного источника 7. В случае использования углеродной плазмы только вакуумного-дугового испарителя технологический процесс сводится к вышеописанной технологии короткоимпульсной имплантации и осаждения покрытий, реализуемой точно так же, как и в случае применения катода дугового испарителя из металла, сплава, композиционного материала. Поэтому более подробно рассмотрим пример нанесения алмазоподобного покрытия с использованием дополнительного потока углеводородной плазмы от источника газовой плазмы 7. На стадии очистки и разогрева образцов целесообразно из углеводородной плазмы формировать ионные потоки при заполнении импульсов ускоряющего напряжения в диапазоне (50-99)%, амплитудой 1-10 кВ. После разогрева образцов до заданной температуры уменьшают длительность импульсов и/или частоту следования так, чтобы заполнение импульсов находилось в пределах (8-50)%, а также снижают ускоряющее напряжение до величины, обеспечивающей среднюю энергию поступающих на образец ионов в пределах 100-500 эВ. В случае образцов из металла средняя энергия ионов будет определяться средней зарядностью ионов, ускоряющим напряжением и коэффициентом заполнения импульсов.

Если образцы выполнены из диэлектрического материала или на проводящий образец наносится диэлектрическое (в данном случае алмазоподобное) покрытие, то необходимо принять во внимание, что средняя энергия ионов будет также зависеть от динамики изменения ускоряющего напряжения вблизи поверхности диэлектрика. Динамика изменения ускоряющего напряжения и его амплитуда будут определяться как процессами формирования слоя разделения заряда вблизи диэлектрика, динамикой накопления ионов в поверхностном слое диэлектрика, так и параметрами самого диэлектрика и, в частности, его диэлектрической проницаемостью и толщиной. Поскольку технология нанесения алмазоподобного или алмазного покрытия чувствительна к энергетическому спектру, то с учетом зарядки диэлектриков целесообразно выбирать длительность импульсов в пределах 100 нс-5 мкс. Этот диапазон длительностей импульсов целесообразно выбирать и в случае, если алмазоподобное покрытие наносят на проводящий материал. Это исключает пробой формируемого покрытия. Сокращение длительности импульсов приведет к уменьшению времени зарядки формируемого покрытия при внедрении ионов. После окончания каждого импульса происходит нейтрализация заряда в диэлектрике за счет электронов из плазмы газового разряда. Поддержание заданного температурного режима обеспечивают за счет изменения частоты следования импульсов, их длительности, амплитуды напряжения смещения, а также применением системы перемещения образцов, обеспечивающих периодический отвод образцов в зону малой концентрации плазмы. После достижения заданной толщины алмазоподобного покрытия процесс осаждения останавливают.

Таким образом, как показано на примерах, предлагаемый способ выгодно отличается от известных.

Во-первых, он обеспечивает возможность совмещения в одной установке и в едином технологическом цикле операций очистки, разогрева и нанесения покрытий на различные материалы: металлы, диэлектрики и полупроводники. Это позволяет наносить качественные покрытия с высокой адгезией к поверхностям.

Кроме того, предлагаемый способ при реализации режима импульсно-периодической высокочастотной ионной имплантации решает проблему возможного возникновения дугового разряда между образцами и элементами вакуумной системы без применения каких-либо дугогасящих систем. Соответственно повышается качество имплантированной поверхности.

В отличие от других аналогичных методов нанесения покрытий формируемое покрытие может быть как проводящим, так и непроводящим, поэтому появляется возможность наносить этим же способом алмазоподобные, керамические, полупроводниковые и другие диэлектрические покрытия.

Появляется возможность для ряда технологий значительно упростить и удешевить источники питания при одновременном повышении производительности оборудования.

Изобретение относится к радиационному материаловедению и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов путем нанесения покрытий или изменения состава поверхностных слоев ионной имплантацией. Плазму формируют непрерывным вакуумно-дуговым разрядом, затем из нее импульсно-периодически ускоряют ионы и образцы облучают поочередно ионами и плазмой с регулировкой соотношения доз облучения. На разных стадиях технологического процесса из плазмы дугового разряда формируют длинноимпульсный поток ускоренных ионов с длительностью ионного потока 100-400 мкс и заполнением 1-8% и/или короткоимпульсный поток ионов с длительностью в диапазоне от 0,1 до 10 мкс с заполнением импульсов (8-99)%. Длинноимпульсный поток ионов формируют путем приложения ускоряющего напряжения между элементами дугового источника. Короткоимпульсный поток ускоренных ионов формируют путем подачи на образцы импульсов напряжения отрицательной полярности с амплитудой в диапазоне (100-10⁴) В, с длительностью импульсов в диапазоне 0,1-10 мкс, с частотой следования импульсов 8·10³-9,9·10⁶ имп/с. Для расширения номенклатуры покрытий образцы облучают от дополнительных источников металлической или газовой плазмой. Способ позволяет проводить различные стадии технологического процесса в одной установке, наносить проводящие и непроводящие покрытия на металлы и диэлектрики. 17 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий путем генерации плазмы непрерывным вакуумно-дуговым разрядом с импульсно-периодическим ускорением из нее ионов и поочередного облучения образца ионами и плазмой с регулировкой соотношения доз облучения, отличающийся тем, что на разных стадиях технологического процесса из плазмы дугового разряда формируют длинноимпульсный поток ускоренных ионов с длительностью ионного потока 100-400 мкс и заполнением импульсов 1-8% и/или короткоимпульсный поток ионов с длительностью от 0,1 до 10 мкс с заполнением импульсов 8-99%.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что короткоимпульсный поток ускоренных ионов формируют путем подачи на образцы импульсов напряжения отрицательной полярности с амплитудой 10²-10⁴ В, с длительностью импульсов 0,1-10 мкс, с частотой следования импульсов 8·10³-9,9·10⁶ имп/с.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что короткоимпульсный поток ускоренных ионов формируют путем подачи на две группы электрически разделенных держателей образцов переменного напряжения амплитудой 10²-10⁴ В с частотой в диапазоне 10⁴-10⁷ Гц.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что частоту следования и длительность импульсов ионного облучения выбирают из условия равенства потоков ускоренных ионов на образцы и распыленных атомов с поверхности образцов.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что плазму дугового разряда формируют из одноэлементного металла.6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что плазму дугового разряда формируют из материала, представляющего собой сплав.7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что плазму дугового разряда формируют из композитного материала.8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что плазму дугового разряда формируют из углерода.9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что образцы дополнительно облучают плазмой, генерируемой из металла дополнительных источников.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что плазма, генерируемая из металла дополнительных источников, совпадает по составу с плазмой основного источника.11. Способ по п.9, отличающийся тем, что плазма, генерируемая из металла дополнительных источников, отличается по составу от плазмы основного источника.12. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что покрытие наносят в среде реакционного газа.13. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что образцы дополнительно облучают газовой плазмой от дополнительного источника плазмы.14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы.15. Способ по п.13, отличающийся тем, что плазму формируют из активных газов.16. Способ по п.13, отличающийся тем, что плазму формируют из смеси различных газов.17. Способ по п.13, отличающийся тем, что плазму формируют из углеводородов.18. Способ по п.8 или 17, отличающийся тем, что амплитуду импульсов напряжения, подаваемого на держатель образцов из диэлектрика, выбирают в зависимости от толщины диэлектрика, частоты следования импульсов таким образом, чтобы средняя энергия ионов, попадающих на образец, с учетом энергии ионов в плазме, находилась в диапазоне 100-500 эВ.