ÓÄÊ 539.23 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ. I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî*, È.Ì. Íåêëþäîâ Íàöèîíàëüíûé íàó÷íûé öåíòð Õàðüêîâñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò * Íàó÷íûé ôèçèêî-òåõíîëîãè÷åñêèé öåíòð ÌÎÍ è ÍÀÍ Óêðàèíû, (Õàðüêîâ) (Óêðàèíà) Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.02.2003  ðàáîòå ðàññìîòðåíû ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ èîííîãî è èîííî-ïëàçìåííîãî îáëó÷åíèÿ íà ìîäèôèêàöèþ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ìàòåðèàëîâ. Íà ïðèìåðå îðèãèíàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ïðîâîäèìûõ â ÍÍÖ ÕÔÒÈ è ÍÔÒÖ, ïîêàçàíà ðîëü èîííîé áîìáàðäèðîâêè â òàêèõ ïðîöåññàõ êàê èîííàÿ î÷èñòêà, èîííîå àçîòèðîâàíèå, âûñîêîäîçîâàÿ èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ. Ïðåäñòàâëåíû äàííûå ïî ýôôåêòó ãëóáèííîãî óïðî÷íåíèÿ è àíîìàëüíî ãëóáîêîãî èîííîãî ïðîíèêíîâåíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîâåðõíîñòíîãî óïðî÷íåíèÿ è óâåëè÷åíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè ïðè èîííîé èìïëàíòàöèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ èîííîãî îáëó÷åíèÿ ìîæíî ñóùåñòâåííî ïîâûøàòü èçíîñîñòîéêîñòü è ñðîê ñëóæáû èçäåëèé. ÂÂÅÄÅÍÈÅ Òåõíîëîãèè ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì èîííûõ è èîííî-ïëàçìåííûõ ïîòîêîâ íàõîäÿò âñå áîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ïðîìûøëåííîñòè. Âìåñòå ñ òðàäèöèîííûì èñïîëüçîâàíèåì èîííîãî ëåãèðîâàíèÿ è òðàâëåíèÿ â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ïðîìûøëåííîñòè, èîííûå òåõíîëîãèè èíòåíñèâíî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ çàùèòíûõ è ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ èçäåëèé. Èñïîëüçîâàíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ äëÿ ïðèäàíèÿ îïðåäåëåííûõ ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè èìååò ðÿä îñîáåííîñòåé ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííûìè ñïîñîáàìè ïîëó÷åíèÿ çàùèòíûõ ïîêðûòèé ïóòåì òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè â ãàçîâîé ñðåäå èëè ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ. Îñíîâíûì îòëè÷èåì òàêîé îáðàáîòêè ÿâëÿåòñÿ ïðèñóòñòâèå â òåõíîëîãè÷åñêîì ïðîöåññå èîíîâ ñ ýíåðãèåé, èçìåíÿåìîé, â çàâèñèìîñòè îò èñïîëüçóåìîé ìåòîäèêè, â äèàïàçîíå îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ý äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ êýÂ. Êàê ïðàâèëî, îáëó÷åíèå ìàòåðèàëîâ àññîöèèðóåòñÿ ñ ïðîöåññàìè äåãðàäàöèè èñõîäíûõ ñâîéñòâ èçäåëèé â óñëîâèÿõ ðåàêòîðíîãî è êîñìè÷åñêîãî îáëó÷åíèÿ. Õîðîøî èçâåñòíû òàêèå íåãàòèâíûå ïîñëåäñòâèÿ îáëó÷åíèÿ êàê ðàäèàöèîííîå ðàñïóõàíèå, ïîëçó÷åñòü, õðóïêîñòü è äð.  òî æå âðåìÿ ïðèìåíåíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ ïðèíîñèò ïîëîæèòåëüíûå ðåçóëüòàòû ïðè ïîâåðõíîñòíîé ìîäèôèêàöèè. Ñ ïîìîùüþ ðàäèàöèîííîé îáðàáîòêè ïîâûøàþò àäãåçèþ çàùèòíûõ ïîêðûòèé, óâåëè÷èâàþò ïëîòíîñòü êîíäåíñàòîâ. Èñïîëüçîâàíèå èîíîâ ïîçâîëÿåò óëó÷øèòü ïðî÷íîñòíûå è òðèáîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ, ïîâûñèòü èõ êîððîçèîííóþ ñòîéêîñòü. Äëÿ ïîíèìàíèÿ ñòîëü ðàçëè÷íîãî ýôôåêòà âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ íåîáõîäèìî îáðàòèòñÿ ê ôèçè÷åñêîé êàðòèíå âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ íà òâåðäîå òåëî. Ðàññìîòðèì ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû è ÿâëåíèÿ, ïðîòåêàþùèå ïðè èîííîé îáðàáîòêå ïîâåðõíîñòè. ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÕ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ ÌÀÒÅÐÈÀËΠÍà ðèñ. 1 ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåíû ïåðâè÷íûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïðè àññèñòèðîâàíîì èîííîì îñàæäåíèè [1]. Òàê êàê ïðè èîííîé îáðàáîòêå âñå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò âáëèçè ïîâåðõíîñòè, ýòî âíîñèò ñâîþ ñïåöèôèêó â ïðîöåññû ïåðâè÷íîãî äåôåêòîîáðàçîâàíèÿ. Ïðè ðåàêòîðíîì ïîâðåæäåíèè íåéòðîí, ñòàëêèâàÿñü ñ ÿäðîì àòîìà ìèøåíè, ïåðåäàåò åìó íåêîòîðóþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Ïîñëå ÷åãî ðàçâèâàåòñÿ òàê íàçûâàåìûé êàñêàä àòîì àòîìíûõ ñòîëêíîâåíèé.  ðåçóëüòàòå ÷åãî îáðàçóåòñÿ çîíà, îáîãàùåííàÿ âàêàíñèÿìè, è ïåðåôåðèé40 íàÿ çîíà, îáîãàùåííàÿ ìåæäîóçåëüíûìè àòîìàìè. Íàëè÷èå ïîâåðõíîñòè ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ÷àñòü àòîìîâ ïîâåðõíîñòè âûáèâàåòñÿ èëè ðàñïûëÿåòñÿ, òàêèì îáðàçîì ñòðàâëèâàÿ ïîâåðõíîñòü. Åñëè íà ïîâåðõíîñòè íàõîäÿòñÿ àòîìû íåñêîëüêèõ ñîðòîâ, ýôôåêòèâíîñòü èõ ðàñïûëåíèÿ ðàçëè÷íà èç-çà ðàçëè÷èÿ â ìàññàõ è õàðàêòåðà àòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Âñëåäñòâèå ýòîãî ïðîèñõîäèò ïðåèìóùåñòâåííîå ðàñïûëåíèå àòîìîâ íåêîòîðîãî ñîðòà. Ïðîöåññû ðàçâèòèÿ êàñêàäîâ ñòîëêíîâåíèé ïðèâîäÿò ê âûáèâàíèþ ìîëåêóë ñîðáèðîâàííûõ ãàçîâ ñ ïîâåðõíîñòè. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè êàê îò ñîðáèðîâàííûõ àòîìíûõ ñëîåâ, òàê è îò îêèñíîé ïëåíêè è äðóãèõ çàãðÿçíåíèé. Ïðè îáëó÷åíèè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ èîíàìè, îòëè÷íûìè îò èîíîâ òâåðäîãî òåëà, ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ïðèïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ. Îáëó÷åíèå èîíàìè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ãàçîâ âûçûâàåò äèññîöèàöèþ ìîëåêóë ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ àòîìàìè ìèøåíè è èõ âíåäðåíèå â òâåðäîå òåëî â õèìè÷åñêè àêòèâíîì ñîñòîÿíèè. Ýòî ìîæåò ïðèâîäèòü ê óñêîðåíèþ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ, ïî ñðàâíåíèþ ñ òåðìè÷åñêè àêòèâèðóåìûìè ïðîöåññàìè. Äàííîå ÿâëåíèå, â ÷àñòíîñòè, ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè.  òàáë. 1 ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíû îñíîâíûå ïðîöåññû è ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå ïðè ðàäèàöèîííîé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè, êîòîðûå âëèÿþò íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ. Óñëîâíî ïðîöåññû ìîæíî ðàçáèòü íà äâå ãðóïïû: ïåðâè÷íûå ïðîöåññû è ïðîöåññû ðåëàêñàöèè. Ýòè äâå ãðóïïû ïðîöåññîâ ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ ïî õàðàêòåðíûì âðåìåíàì ïðîòåêàíèÿ. Ê ïåðâè÷íûì ïðîöåññàì îòíîñÿòñÿ ïðîöåññû ïåðâè÷íîé ðàäèàöèîííîé ïîâðåæäàåìîñòè, ðàñïûëåíèÿ è ïð. Õàðàêòåðíûå âðåìåíà ýòèõ ïðîöåññîâ 1013 1011 ñ. Ïðîöåññû ðåëàêñàöèè çàíèìàþò çíà÷èòåëüíî áîëüøèé ïðîìåæóòîê âðåìåíè. Ýòî ïðîöåññû ïîâåðõíîñòíîé è îáúåìíîé ðàäèàöèîííî-óñêîðåííîé äèôôóçèè, çàðîæäåíèÿ è ðîñòà íîâûõ ôàç, áëîêîâ è çåðåí è ò.ä. Îñòàíîâèìñÿ áîëåå ïîäðîáíî íà ïðîöåññå ñîçäàíèÿ ðàäèàöèîííûõ äåôåêòîâ ïàäàþùèì èîíîì. Èîí ñ ìàññîé M1 è íà÷àëüíîé ýíåðãèåé E1, âëåòàþùèé â òâåðäîå òåëî, òåðÿåò ýíåðãèþ â ðåçóëüòàòå äâóõ îñíîâíûõ ïðîöåññîâ: óïðóãîãî ñòîëêíîâåíèÿ ñ àòîìàìè ìèøåíè è íåóïðóãîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ýëåêòðîíàìè. Âçàèìîäåéñòâóÿ ñ àòîìîì ìèøåíè ñ ìàññîé M2, èîí ïåðåäàåò åìó êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ E2 (E2 < αE1 , ãäå α = 4M1M2/ (M1+ M2)2). Ïàäàþùèé èîí â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ ìîæåò îòðàçèòüñÿ îò ïîâåðõíîñòè èëè ñ èçìåíåííîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé E1 è óãëîì ïàäåíèÿ θ âíåäðèòüñÿ âãëóáü ìàòåðèàëà, âçàèìîäåéñòâóÿ äàëåå ñ äðóãèìè àòîìàìè ïëåíêè. Àòîìû ìèøåíè â ïðîöåññå ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñìåùàþòñÿ ñî ñâîèõ ìåñò. Â Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ Ðèñ. 1. Ïåðâè÷íûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïðè àññèñòèðîâàíîì èîííîì îñàæäåíèè. ðåçóëüòàòå îáðàçóþòñÿ ðàñïûëåííûå àòîìû è òî÷å÷íûå äåôåêòû: âàêàíñèè è ìåæäîóçåëüíûå àòîìû. Çíà÷åíèÿ ýíåðãèè, ïåðåäàííîé èîíó àòîìó ìèøåíè, çàâèñÿò îò ïîòåíöèàëà ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ V(r) è ïàðàìåòðîâ ñòîëêíîâåíèÿ (ïðèöåëüíûé ïàðàìåòð p). Ïðè ðàñ÷åòàõ ÷àñòî èñïîëüçóþò ïîòåíöèàë ÒîìàñàÔåðìè V ( r ) = (Z1Z 2 e 2 r )Φ (r a ) , ãäå ôóíêöèÿ Ô(r/a) â àïïðîêñèìàöèè Ìîëüåð ìîæåò áûòü çàïèñàíà â âèäå Ô(õ) = 0,35å0,3õ + 0,55å1,2õ + 0,1å6õ.  ïðèáëèæåíèè ïàðíîãî ñòîëêíîâåíèÿ ýíåðãèÿ, ïåðåäàííàÿ àòîìó, ìîæåò áûòü âûðàæåíà â ñëåäóþùåì âèäå [2]: Å2 = Å1α sin2(θ/2), ∞ ãäå θ = π − 2 p ∫ r0 ( (1 − V (r ) E rel ) − p 2 r 2 ) r 2 dr , r0 ðàñ- ñòîÿíèå ìàêñèìàëüíîãî ñáëèæåíèÿ àòîìîâ, à Erel îòíîñèòåëüíàÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ äâèæåíèÿ àòîìîâ. Ïðè ïåðåäàííîé ýíåðãèè E2, áîëüøå íåêîòîðîé ïîðîãîâîé ýíåðãèè Åd (íàçûâàåìîé ïîðîãîâîé ýíåðãèåé ñìåùåíèÿ) â òâåðäîì òåëå îáðàçóåòñÿ ðàäèàöèîííûé äåôåêò, íàçûâàåìûé ïàðîé Ôðåíêåëÿ: ðàçíåñåííûå â ïðîñòðàíñòâå âàêàíñèÿ è ìåæäîóçåëüíûé àòîì. Ýòè Òàáëèöà 1 Îñíîâíûå ïðîöåññû è ÿâëåíèÿ ðàäèàöèîííîé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè Ïð î ö å ñ ñ û Ðàñï û ëåí è å Èì ï ë à í ò à ö è ÿ è î í î â Î á ð à çî â à í è å ð à ä è à ö è î í í û õ ä å ôå êò î â : ð à ä è à ö è î í í û õ â à êà í ñ è é è ì å æ ä îóçå ë üí û õ à ò î ì î â Ð à ä è à ö è î í í î - óñ êî ð å í í à ÿ ä è ôôóçè ÿ ä å ôå êò î â ê ï î â å ð õí î ñ ò è è ñ ò î êà ì â î á úå ì å Ð à çð óøå í è å çà ð î ä û øå é ôà ç í à ï î â å ð õí î ñ ò è á à ë ë è ñ ò è ÷ å ñ êè ì ì å ò î ä î ì Óñ êî ð å í è å ï î â å ð õí î ñ ò í î é ä è ôôóçè è Ñ î çä à í è å êî ì ï ë å êñ î â ð à ä è à ö è î í í û õ ä å ôå êò î â ñ ï ð è ì å ñ ÿì è Èî í í î - è í ä óö è ð î â à í í à ÿ à êò è â à ö è ÿ õè ì è ÷ å ñ êè õ ð å à êö è é Ç à ð î æ ä å í è å è ð î ñ ò í î â û õ ôà ç Ñ î çä à í è å ä è ñ ë î êà ö è î í í û õ ñ ò î ï î ð î â Ð î ñ ò çå ð å í è á ë î êî â è ç î ñ à æ ä à å ì î ãî ì à ò å ð è à ë à Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 ß â ëåí è ÿ Èî í í à ÿ ÷ è ñ ò êà Èî í í î å ï å ð å ì å øè â à í è å Èî í í î å óï ë î ò í å í è å Èî í í î å ò ð à â ë å í è å Ñ î çä à í è å ð à ä è à ö è î í í î - è í ä óö è ð î â à í í û õ ôà ç Èî í í î - ñ ò è ì óë è ð î â à í í à ÿ ñ å ãð å ãà ö è ÿ Âî çí è êí î â å í è å í à í î ñ ò ð óêò óð Èî í í î å óï ð î ÷ í å í í è å Ì à ãí è ò í î å óï î ð ÿä î ÷ å í è å Èçì å í å í è å ý ë å êò ð î í í î ãî ñ î ñ ò î ÿí è ÿ ï î â å ð õí î ñ ò è Ñâîéñòâà Òâåðäîñòü, ïëàñòè÷íîñòü Êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü Ýëåêòðîôèçè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ñâîéñòâà Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü Ðàáîòà âûõîäà Òðèáîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà 41 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß òî÷å÷íûå äåôåêòû, èõ ðàñïðåäåëåíèå è äàëüíåéøèé îòæèã íåïîñðåäñòâåííî âëèÿþò íà õàðàêòåðèñòèêè îñàæäàåìîé ïëåíêè.  äåéñòâèòåëüíîñòè õàðàêòåð ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â òâåðäîì òåëå èìååò áîëåå ñëîæíûé, ÷åì îïèñàíî âûøå, õàðàêòåð.  ñëó÷àå ìåòàëëîâ ýíåðãèþ êðèñòàëëà ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê [3]: 1 E = ∑ F (ρi ) + ∑ ϕ Rij , i 2 j ≠i ãäå ρi ýëåêòðîííàÿ ïëîòíîñòü, F (ρi ) ôóíêöèÿ âíåäðåíèÿ, à ϕ( Rij ) -ïîòåíöèàë ïàðíîãî ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Êàê âèäíî, âçàèìîäåéñòâèå àòîìîâ íîñèò ñëîæíûé íåïàðíûé õàðàêòåð, çàâèñÿùèé îò âèäà ôóíêöèè F (ρi ) . Ïðè îïðåäåëåíèè ýíåðãèè äåôåêòîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü äàëüíîäåéñòâóþùèé õàðàêòåð ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, çàòðàãèâàþùèé àòîì äàëåå ïÿòîé êîîðäèíàöèîííîé ñôåðû. Íàëè÷èå êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû òàê æå âíîñèò ñâîþ ñïåöèôèêó â ïðîöåññû äåôåêòîîáðàçîâàíèÿ. Íà ðèñ. 2 äëÿ ïðèìåðà ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ òðàåêòîðèè àòîìîâ êðèñòàòàëëèòà ïðè âçàèìîäåéñòâèè èîíà íèêåëÿ ñ ýíåðãèåé 200 ý ñ ïîâåðõíîñòüþ (100) Ni. Õîðîøî âèäíî âîçíèêíîâåíèå öåïî÷åê êîððåëèðîâàííûõ ñîóäàðåíèé âäîëü íàïðàâëåíèÿ <110>. Èîí, âëåòàÿ â òâåðäîå òåëî, ñîçäàåò öåïî÷êè àòîìíûõ çàìåùåíèé âäîëü íàïðàâëåíèÿ [0 0 1] è [0 1 1], çàêàí÷èâàþùèåñÿ îáðàçîâàíèåì ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ, à êðîìå ýòîãî ðàñïûëÿåò 2 àòîìà ñ ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà. Ñîçäàâàåìûå äåôåêòû íàõîäÿòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå.  ÷àñòíîñòè, ìåæäîóçåëüíûå àòîìû ðàñïîëàãàþòñÿ îò ïîâåðõíîñòè íà ðàññòîÿíèè 2à è 3à, ñîîòâåòñòâåííî (à ïîñòîÿííàÿ ðåøåòêè). Íåñìîòðÿ íà ìèêðîñêîïè÷åñêè ìàëûå ðàññòîÿíèÿ, èìåííî ýòè äåôåêòû îïðåäåëÿþò â êîíå÷íîì ñ÷åòå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñâîéñòâà îñàæäàåìûõ ïëåíîê. Ñîçäàííûå äåôåêòû â äàëüíåéøåì îïðåäåëÿþò ïðîöåññû ðåëàêñàöèè â òâåðäîì òåëå.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå êèíåòèêó èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèé âàêàíñèé (v) è ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ (i) âáëèçè ïîâåðõíîñòè ìîæíî îïèñàòü ñèñòåìîé äèôôóçèîííûõ óðàâíåíèé â äâèæóùåéñÿ ñèñòåìå êîîðäèíàò [4]: ( ) ∂C i ∂ ∂ ∂ ( Di C i ) − α iv C i C v − G i C i + V Ci + g i ( x) , = ∂t ∂x ∂x ∂x ∂Cv ∂ ∂ ∂ = Dv Cv − αivCiCv − GvCv +V Cv + gv (x) , ∂x ∂t ∂ x ∂ x ãäå C êîíöåíòðàöèÿ, αiν êîíñòàíòà ðåêîìáèíàöèè, gi è gv ñêîðîñòü ãåíåðàöèè ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ è âàêàíñèé ñîîòâåòñòâåííî, G ïëîòíîñòü ñòîêîâ äëÿ Ðèñ. 2. Òðàåêòîðèè àòîìîâ êðèñòàëëèòà Ni ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ èîíîì Ni ñ ýíåðãèåé 200 ýÂ. 42 òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ, D êîýôôèöèåíò äèôôóçèè, V ñêîðîñòü òðàâëåíèÿ èëè ðîñòà ïëåíêè. Õàðàêòåð è èíòåíñèâíîñòü ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ çàâèñèò îò ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ. Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíà âçàèìîñâÿçü âåëè÷èíû ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ è ñîîòâåòñòâóþùèå ýòîé ýíåðãèè ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû. Íèæíåå çíà÷åíèå øêàëû ñîîòâåòñòâóåò òåðìè÷åñêîé ýíåðãèè àòîìîâ êðèñòàëëà. Òèïè÷íàÿ ýíåðãèÿ ôèçè÷åñêîé ñîðáöèè ðàâíà 0,1 ýÂ. Ýíåðãèÿ õèìñîðáöèè ñîñòàâëÿåò îêîëî 1 ýÂ. Ýíåðãèÿ àêòèâàöèè äèôôóçèè ñîñòàâëÿåò ýëåêòðîí-âîëüòû. Ýíåðãèÿ õèìè÷åñêîé ñâÿçè ïîðÿäêà 10 ýÂ. Èîíû, ïàäàþùèå ñ òàêîé ýíåðãèåé, ìîãóò âëèÿòü íà õèìè÷åñêèå ðåàêöèè íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà. Ïðè ýíåðãèè áîëüøå 20 ý ïàäàþùèå èîíû ìîãóò ñîçäàâàòü òî÷å÷íûå äåôåêòû. Ïðè ýíåðãèè áîëåå 100ý íà÷èíàþòñÿ ìèíèêàñêàäû è ïðîíèêíîâåíèå èîíîâ â îáúåì ìàòåðèàëà. Ðèñ. 3. Ôèçè÷åñêèå ýôôåêòû, íàáëþäàåìûå â ïëåíêàõ, â çàâèñèìîñòè îò ýíåðãèè ïàäàþùèõ èîíîâ. Ïðè âàêóóìíîì íàíåñåíèè ïëåíîê ìèêðîñòðóêòóðà ïëåíîê òàê æå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû ïîäëîæêè è ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ. Äîïîëíèòåëüíîå èîííîå îáëó÷åíèå ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ çåðåí è âûäåëåíèé ôàç ïî ðàçìåðàì. Èçìåíåíèå âûçâàíî êàê áàëëèñòè÷åñêèì ñïîñîáîì çà ñ÷åò ðàçðóøåíèÿ çàðîäûøåé íà ïîâåðõíîñòè, òàê è çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ ïîä îáëó÷åíèåì. Èíòåíñèâíîå âîçäåéñòâèå íà ïîâåðõíîñòü èìïóëüñíûõ ïó÷êîâ èîíîâ èëè ýëåêòðîíîâ ìîæåò ïðèâîäèòü ê ðåçêîìó íàãðåâó ïîâåðõíîñòè è äàæå ïîâåðõíîñòíîìó ïëàâëåíèþ. Ðåçêèå èìïóëüñíûå òåïëîâûå íàãðóçêè ñïîñîáíû âûçûâàòü íàïðÿæåíèÿ, äîñòàòî÷íûå äëÿ ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ìàòåðèàëà íà ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ðàññòîÿíèÿõ. Îñíîâíûì îòëè÷èåì ïðîöåññîâ èîííîé îáðàáîòêè îò ïðîöåññîâ ðåàêòîðíîé ïîâðåæäàåìîñòè ÿâëÿåòñÿ èíòåíñèâíîñòü è äëèòåëüíîñòü ïðîòåêàåìûõ ïðîöåññîâ. Òàê, åñëè â ðåàêòîðå äîçû â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ñìåùåíèé íà àòîì äîñòèãàåòñÿ â òå÷åíèå ëåò, òî ïðè èîííîé îáðàáîòêå ýòà æå äîçà äîñòèãàåòñÿ â òå÷åíèå äåñÿòêîâ ìèíóò. Ïðè èîííîé îáðàáîòêå íåðåäêî âîçíèêàþò ìåòàñòàáèëüíûå ñòðóêòóðíî-ôàçîâûå ñîñòîÿíèÿ è èîííî-èíäóöèðîâàííûå ôàçû. Êðàòêîâðåìåííîñòü, ñèëüíàÿ íåðàâíîâåñíîñòü è íåîäíîðîäíîñòü ïðîöåññîâ ïðè èîííîé è èîííî-ïëàçìåííîé îáðàáîòêå ïîçâîëÿåò ìîäèôèöèðîâàòü ïîâåðõíîñòíûå ñëîè ñ óëó÷øåíèåì èõ ýêñïëóàòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê. Ïðè ýòîì êîíå÷íûé ýôôåêò ñèëüíî çàâèñèò îò óñëîâèé è ïàðàìåòðîâ îáëó÷åíèÿ. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðîãíîçèðóåìûõ ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè ïóòåì èîííîé îáðàáîòêè íåîáõîäèìî Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ ó÷èòûâàòü âûøåïåðå÷èñëåííûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ â ðàäèàöèèîííûõ òåõíîëîãèÿõ îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ. Äàëåå áóäóò ïðèâåäåíû êîíêðåòíûå ïðèìåðû ïîâåðõíîñòíîé ìîäèôèêàöèè ìàòåðèàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì èîííûõ è èîííî-ïëàçìåííûõ ïó÷êîâ. ÈÎÍÍÎÏËÀÇÌÅÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ Ïåðåä íàíåñåíèåì ïîêðûòèé ïîâåðõíîñòü ìàòåðèàëà ïðîõîäèò ôàçó ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêè, òàê íàçûâàåìîé èîííîé î÷èñòêè.  ïðîöåññå èîííîé î÷èñòêè ïîâåðõíîñòü î÷èùàåòñÿ îò îêèñíîé ïëåíêè è äðóãèõ çàãðÿçíåíèé. Êðîìå òîãî, ïîñðåäñòâîì èîííîé áîìáàðäèðîâêè ñ ïîìîùüþ èîííîãî ïåðåìåøèâàíèÿ ñîçäàåòñÿ ïåðåõîäíîé ñëîé ìåæäó íàíîñèìîé ïëåíêîé è ïîäëîæêîé. Èîííàÿ î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè íåîáõîäèìà äëÿ îáåñïå÷åíèÿ õîðîøåé àäãåçèè ïîêðûòèé ñ ïîâåðõíîñòüþ îáðàáàòûâàåìîãî ìàòåðèàëà. Ýòó îïåðàöèþ îñóùåñòâëÿþò ñ ïîìîùüþ áîìáàðäèðîâêè èîíàìè èíåðòíûõ ãàçîâ èëè èîíàìè îñàæäàåìîãî ìàòåðèàëà. Ýôôåêòèâíîñòü î÷èñòêè îïðåäåëÿåòñÿ òèïîì èñïîëüçóåìûõ èîíîâ, èõ ýíåðãèåé, ïëîòíîñòüþ òîêà. Ñêîðîñòü èîííîé î÷èñòêè òàê æå çàâèñèò îò âèäà îáðàáàòûâàåìîãî ìàòåðèàëà, ñòåïåíè åãî çàãðÿçíåíèÿ è îêèñëåííîñòè, âàêóóìíûõ óñëîâèé îáðàáîòêè. Äëÿ èîííîé î÷èñòêè ïðèìåíÿþò êàê ãàçîâûå, òàê è ìåòàëëè÷åñêèå èîíû. Äëÿ î÷èñòêè ãàçîâûìè èîíàìè ÷àñòî ïðèìåíÿþò òðèîäíûå ñèñòåìû èîííî-ïëàçìåííîãî òðàâëåíèÿ [5]. Òðàäèöèîííûå òðèîäíûå ñèñòåìû ïîçâîëÿþò èçâëåêàòü èîííûå òîêè íà ïîäëîæêó ñ ïëîòíîñòüþ äî Ji = 10 ÷15 ìÀ/ñì2. Ïðèìåíåíèå â ÍÍÖ ÕÔÒÈ ñèñòåìû ñêðåùåííûõ ýëåêòðè÷åñêîãî Å è ìàãíèòíîãî Í ïîëåé ïîçâîëèëî óâåëè÷èòü ïëîòíîñòü èîííîãî òîêà íà ïîäëîæêó äî Ji = 70 ÷310 ìÀ/ñì2, à òàêæå óëó÷øèòü ðàâíîìåðíîñòü îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ è ðàñøèðèòü äèàïàçîí ðàáî÷èõ äàâëåíèé â ñòîðîíó ìåíüøèõ çíà÷åíèé.  êà÷åñòâå ðàáî÷èõ ãàçîâ â èñòî÷íèêå èñïîëüçîâàëè èíåðòíûå ãàçû (àðãîí, êðèïòîí, êñåíîí, ãåëèé, íåîí, âîäîðîä, àçîò). Ïðè èñïîëüçîâàíèè âñåõ ãàçîâ äîñòèãàëèñü âûñîêèå çíà÷åíèÿ ðàçðÿäíîãî òîêà èñòî÷íèêà, îäíàêî äèàïàçîí ðàáî÷èõ äàâëåíèé ãàçà â âîäîðîäå è àçîòå, ïî ñðàâíåíèþ ñ àðãîíîì, ñìåùàëñÿ â îáëàñòü ìåíüøèõ çíà÷åíèé (ðèñ. 4). Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ðàçðÿäíîãî òîêà èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû (IÐ) îò äàâëåíèÿ ðàáî÷åãî ãàçà (p). Ií= 100 À, Í = 60 Ý. Ðàáî÷èå ãàçû: 1 àðãîí; 2 àçîò; 3 âîäîðîä. Çàâèñèìîñòü âåëè÷èíû èîííîãî òîêà, èçâëåêàåìîãî èç èñòî÷íèêà, îò òîêà íåñàìîñòîÿòåëüíîãî ðàçðÿäà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 5. Èîííûé òîê èçâëåêàëñÿ íà Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 êîëëåêòîð, ðàñïîëîæåííûé íà ðàññòîÿíèè 100 ìì îò ñðåçà àíîäà. Ïðèåìíàÿ ïîâåðõíîñòü êîëëåêòîðà èìåëà ïëîùàäü ≈ 400 ñì2. Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 5, âî âñåì èññëåäóåìîì äèàïàçîíå ðàçðÿäíûõ òîêîâ âåëè÷èíà èîííîãî òîêà ñîñòàâëÿåò îêîëî 30 % îò âåëè÷èíû òîêà ðàçðÿäà. Ðèñ.5. Çàâèñèìîñòü èîííîãî òîêà (Ii) íà ïîäëîæêå îò ðàçðÿäíîãî òîêà (Ip) èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû â àðãîíå Ua = 80Â; Í = 60Ý; ð = 101 Ïà. Ïëîòíîñòü òîêà èçìåíÿëàñü îò 0,0075À/ñì2 äî 0,3À/ñì2 (ïðèâåäåíû óñðåäíåííûå çíà÷åíèÿ). Äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ ïðèëîæåíèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñêîðîñòè òðàâëåíèÿ Vòð, õàðàêòåðèçóþùèå ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ðàñïûëèòåëüíîé ñèñòåìû (ðèñ. 6). Êàê âèäíî, ñ óâåëè÷åíèåì ýíåðãèè èîíîâ ñêîðîñòü òðàâëåíèÿ âîçðàñòàåò. Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè òðàâëåíèÿ (Vòð) ðÿäà ìàòåðèàëîâ îò ýíåðãèè èîíîâ Ar: 1 Cr; 2 Al; 3 Mo; 4 Ti; ð= 0,1 Ïà, J = 5 mA/ñì2. Ïðè èîííî-ïëàçìåííîì îñàæäåíèè ïîêðûòèé èîííóþ î÷èñòêó ïîêðûâàåìîé ïîâåðõíîñòè çà÷àñòóþ îñóùåñòâëÿþò ïóòåì áîìáàðäèðîâêè èîíàìè îñàæäàåìîãî ìàòåðèàëà. Ïðè î÷èñòêå ïîâåðõíîñòè èîíàìè ìåòàëëîâ íàáëþäàåòñÿ äâà êîíêóðèðóþùèõ ïðîöåññà: ðàñïûëåíèå ïîâåðõíîñòè è íàêîïëåíèå íà íåé áîìáàðäèðóþùåãî ìàòåðèàëà (ðèñ. 7) [6]. Ýôôåêò ðàñïûëåíèÿ äëÿ èñïîëüçóåìûõ èîíîâ ñòàíîâèòñÿ ïðåîáëàäàþùèì ïðè äîñòèæåíèè íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà, ïðè êîòîðîì íàáëþäàåòñÿ íóëåâîé ïðèðîñò òîëùèíû.  äàííîì ñëó÷àå âåëè÷èíà ïîòåíöèàëà ñîñòàâëÿåò 400 ÷ 620 Â. Ïðåâûøåíèå ïîòåíöèàëà íàä åãî êðèòè÷åñêèì çíà÷åíèåì ïðèâîäèò ê ïðåîáëàäàíèþ ïðîöåññà ðàñïûëåíèÿ íàä êîíäåíñàöèåé. Ýôôåêòèâíîñòü ðàñïûëåíèÿ ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì ýíåðãèè è ìàññû ïàäàþùèõ èîíîâ. Òàê, íàïðèìåð, ðàçëè÷èå â ðàñïûëÿþùåé ñïîñîáíîñòè èîíîâ Mo è Al ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 180 ÷190% 43 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß Îñîáåííî öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü òàêóþ ñèñòåìó äëÿ îáðàáîòêè ñëîæíîïðîôèëüíûõ äåòàëåé. Íà ðèñ. 8 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè óáûëè ìàññû îáðàçöîâ ïðè òðàâëåíèè íàðóæíîé è âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè òðóáû äèàìåòðîì 150 ìì, äëèíîé 180 ìì ñ òîëùèíîé ñòåíêè 5 ìì è ñîîòíîøåíèåì d/L = 0,8. Ðèñ.7. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè êîíäåíñàöèè îò óñêîðÿþùåãî ïîòåíöèàëà íà ïîäëîæêå èç ñòàëè Ñò 3, Ð = 103 Ïà, Ji = 2,1 ± 0,3 mA/ñì2: 1 Mo, 2 Zr, 3 Ti, 4 Al, 5 Ti, (òå÷ü â êàìåðå). ïðè óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè 1000 Â. Òàêîå ðàçëè÷èå îáóñëîâëåíî íå òîëüêî îòëè÷èåì ìàññû, ÷òî âåñüìà ñóùåñòâåííî, íî è ñðåäíèì çàðÿäîì èîíîâ Z äëÿ Mo: Z = 2,26, à äëÿ Al: Z =1,58 [6, 7]. Ïðè ýòîì ðåàëüíàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòèö ñîñòàâëÿåò 2,26 êý è 1,58 êý ñîîòâåòñòâåííî. Íå ìåíåå âàæíóþ ðîëü â ïðîöåññå î÷èñòêè ïîäëîæêè, ïî ñðàâíåíèþ ñ ýíåðãèåé è âèäîì èîíîâ, èãðàþò âàêóóìíûå óñëîâèÿ (êð. 5. ðèñ.7). Èç-çà âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë îñòàòî÷íîãî ãàçà ñ èîíàìè ìåòàëëîâ èëè àòîìàìè ïîäëîæêè ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ òðóäíî ðàñïûëÿåìûå ñîåäèíåíèÿ. Ñîîòâåòñòâåííî ïîëíûé ôëþåíñ îáëó÷åíèÿ, íåîáõîäèìûé äëÿ ðàñïûëåíèÿ òàêèõ ñîåäèíåíèé, ìîæåò ñóùåñòâåííî âîçðàñòè. Óâåëè÷åíèå äîçû èîííîé î÷èñòêè çàìåòíî ïîâûøàåò àäãåçèþ ïîêðûòèÿ ê îñíîâå è óëó÷øàåò çàùèòíûå ñâîéñòâà ïîêðûòèÿ [8]. Íà ïðàêòèêå ïîëíûé ôëþåíñ îáëó÷åíèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ çà âðåìÿ î÷èñòêè ∼ 10 ìèí. Ïëàçìà âàêóóìíîé äóãè ìîæåò ñîäåðæàòü èîíû ìåòàëëîâ ñ çàðÿäíîñòüþ +1, +2, +3 è äàæå +5 (äëÿ ìîëèáäåíà). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ýíåðãèÿ èîíîâ ìåòàëëîâ ïðè óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè íà ïîäëîæêå 1÷1,5 êý ìîæåò ïðåâûøàòü âåëè÷èíó 3÷5 êýÂ. Òàêèå ýíåðãèè ëåæàò äàëåêî çà ïðåäåëàìè îáëàñòè ìàêñèìàëüíîé ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ïðîöåññà ðàñïûëåíèÿ. Ïîýòîìó, èîííàÿ î÷èñòêà èîíàìè ìåòàëëîâ ñîïðîâîæäàåòñÿ ñèëüíûì íàãðåâîì ïîäëîæêè ñ îáðàçöàìè èëè èçäåëèÿìè. Äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü ïåðåãðåâà ïîäëîæêè > 500 îÑ, î÷èñòêó ïðîâîäÿò èìïóëüñíî, ñ ïåðåðûâàìè äëÿ îñòûâàíèÿ ïîäëîæêè, ÷òî ñèëüíî çàòÿãèâàåò îáùåå âðåìÿ î÷èñòêè. Âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà ïîäëîæêè ïðè áîìáàðäèðîâêå èîíàìè ìåòàëëîâ ñèëüíî îãðàíè÷åíà. Ïðîöåññ î÷èñòêè ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîÿâëåíèåì ìèêðîäóã, âûçûâàþùèõ ïîâðåæäåíèÿ ïîâåðõíîñòè [6, 8]. Èîííàÿ î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàñïûëèòåëüíûõ ñèñòåì íà îñíîâå ðàçðàáîòàííîãî â ÍÍÖ ÕÔÒÈ èñòî÷íèêà ãàçîâîé ïëàçìû îáëàäàåò ïðåèìóùåñòâàìè ïåðåä î÷èñòêîé èîíàìè ìåòàëëîâ. Ñðåäè íèõ: èñêëþ÷åíèå ïîÿâëåíèÿ ìèêðîäóã è âûçûâàåìûõ èìè ïîâðåæäåíèé ïîâåðõíîñòè, ìåíüøèé íàãðåâ î÷èùàåìîé ïîâåðõíîñòè, ñîêðàùåíèå îáùåãî âðåìåíè, èäóùåãî íà î÷èñòêó [9, 10]. 44 Ðèñ. 8. Óáûëü ìàññû ìàòåðèàëà îêèñëåííûõ îáðàçöîâ èç Ñò. 3 (1,2), ïðè èîííîì òðàâëåíèè â àðãîíîâîé ïëàçìå; ð = 0,1 Ïà; Iäåò = 1 A; Uäåò = 200 Â; 1 íàðóæíàÿ ïîâåðõíîñòü; 2 âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü. Ïîëó÷åííûå ïðè èîííî-ïëàçìåííîé î÷èñòêå ðåçóëüòàòû ïîñëóæèëè îñíîâàíèåì äëÿ ðàçâèòèÿ ðàáîò ïî ìîäèôèöèðîâàíèþ ïîâåðõíîñòè â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ ãàçîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ïëàçìû â íàïðàâëåíèÿõ íèçêîýíåðãåòè÷åñêîãî èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ è ñðåäíåýíåðãåòè÷åñêîé èìïëàíòàöèè. ÈÎÍÍÎ-ÏËÀÇÌÅÍÍÎÅ ÀÇÎÒÈÐÎÂÀÍÈÅ Â ïðîìûøëåííûõ ìåòîäàõ èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ èîííóþ îáðàáîòêó ïîâåðõíîñòè îñóùåñòâëÿþò â òëåþùåì ðàçðÿäå, çàæèãàåìîì â àììèàêå èëè â àçîòîâîäîðîäíûõ ñìåñÿõ è øèðîêî ïðèìåíÿþò â ïðîìûøëåííîñòè, çàìåíÿÿ òðàäèöèîííûé ñïîñîá ãàçîâîãî àçîòèðîâàíèÿ [9]. Íàðÿäó ñ ýòèì ìåòîäîì, âñå áîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷àåò ìåòîä èîííî-ïëàçìåííîé îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ àçîòíîé ïëàçìû, ãåíåðèðóåìîé íåñàìîñòîÿòåëüíûì äóãîâûì ðàçðÿäîì [11 13]. Äëÿ âîçáóæäåíèÿ íåñàìîñòîÿòåëüíîãî äóãîâîãî ðàçðÿäà â àçîòå èñïîëüçóþò ëèáî ñàìîñòîÿòåëüíûé äóãîâîé ðàçðÿä ñ õîëîäíûì êàòîäîì [11], ëèáî ïðèìåíÿåòñÿ èñòî÷íèê ñ òåðìîêàòîäîì [13 14]. Ïîñëåäíèé âàðèàíò ÿâëÿåòñÿ ïðåäïî÷òèòåëüíûì, ïîñêîëüêó ïîçâîëÿåò â øèðîêèõ ïðåäåëàõ âàðüèðîâàòü ýíåðãèþ è ïëîòíîñòü ïîòîêà èîíîâ íà îáðàáàòûâàåìóþ äåòàëü, ÷òî îáåñïå÷èâàåò èíäèâèäóàëüíûé ïîäõîä ê îáðàáîòêå èçäåëèé èç ðàçëè÷íûõ èíñòðóìåíòàëüíûõ ìàòåðèàëîâ ñ ðàçíîîáðàçíîé ãåîìåòðèåé. Ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â èñòî÷íèêå ïëàçìû ñ òåðìîêàòîäîì èîííîé îáðàáîòêå ïîäâåðãàëè îáðàçöû èç ñòàëåé Ñò30, Ó8À, 40Õ13, Ð6Ì5, Ð18, 5ÕÍÌ è ÷óãóíà Ñ×-20 [12 13]. Îáðàçöû èìåëè ôîðìó äèñêîâ äèàìåòðîì 20 ìì è òîëùèíîé 3 ìì. Ïåðåä àçîòèðîâàíèåì îáðàçöû ïðîõîäèëè îïåðàöèþ èîííîé î÷èñòêè â âàêóóìå, îñóùåñòâëÿåìóþ ïóòåì áîìáàðäèðîâêè èõ ïîâåðõíîñòè íèçêîýíåðãåòè÷åñêèìè èîíàìè àðãîíà (Ei ≤ 200 ýÂ). Òåìïåðàòóðó îáðàçöîâ â ïðîöåññå àçîòèðîâàíèÿ èçìåíÿëè â äèàïàçîíå 350 ÷ 600 îÑ. Áûëî ïîêàçàíî [12 16], ÷òî ìèêðîòâåðäîñòü ïîâåðõíîñòè îáðàçöîâ äëÿ âñåõ ìàòåðèàëîâ, ïðîàçîòèðîâàííûõ â ïëàçìå äóãè ñ òåðìîýìèññèîííûì êàòîäîì, ïîâûøàåòñÿ â 2 ÷5 ðàç (òàáë. 2). Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ Òàáëèöà 2 Âëèÿíèå ÈÏÀ íà ìèêðîòâåðäîñòü îáðàáîòàííîé ïîâåðõíîñòè Ìàðêà ñòàëè (÷óãóíà) Ñòàëü Ñòàëü 30 Ó8À Ñòàëü 40Õ13 Ñòàëü 5ÕÍÌ Ñòàëü Ð6Ì5 Ñòàëü Ð18 Ñ× 20 ÍVèñõ, ÃÏà 2 7 5,5 2,7 8,7 9,2 0,31 ÍVàç, ÃÏà 7÷10 8÷13 9÷14 8÷12 11÷.14 11÷14 0,62 Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ñòàëåé 5ÕÍÌ è 5ÕÍ ïîñëå èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ, ïðîâåäåííîãî â òå÷åíèå äâóõ ÷àñîâ, ïðåäñòàâëåíî íà ðèñ. 9. Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå àçîòèðîâàííîãî ñëîÿ äëÿ ñòàëåé 5ÕÍÌ (1) è 5ÕÍ (2): Ò = 500 0Ñ. Ïîñëå èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ ïðàêòè÷åñêè íå ïðîèñõîäèò ðàçóïðî÷íåíèÿ îñíîâíîãî îáúåìà ìàòåðèàëà. Òîëùèíà óïðî÷íåííîãî ñëîÿ ñ ïîâûøåííîé òâåðäîñòüþ äîñòèãàåò 80 ìêì. Ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè ÷óãóíà, â òåõ æå óñëîâèÿõ ÷òî è ñòàëè 5ÕÍÌ, ãëóáèíà àçîòèðîâàííîãî ñëîÿ äîñòèãàëà 200 ìêì [12]. Ðàçóïðî÷íåíèå îñíîâíîãî ìàòåðèàëà â ýòîì ñëó÷àå íå íàáëþäàëîñü. Äëÿ âûñîêîëåãèðîâàííûõ ñòàëåé Ð18 è Ð6Ì5, àçîòèðîâàííûõ â òåõ æå óñëîâèÿõ, òîëùèíà óïðî÷íåííîãî ñëîÿ âîçðàñòàåò â 3 4 ðàçà. Óïðî÷íåíèå ìåòàëëîâ, â òîì ÷èñëå è ñòàëåé, ïðè èîííîì îáëó÷åíèè îáóñëîâëåíî ñîâîêóïíîñòüþ ðÿäà ôàêòîðîâ: äåôåêòîîáðàçîâàíèåì, èîííîñòèìóëèðîâàííûìè ðåàêöèÿìè íà ïîâåðõíîñòè è â îáúåìå ìåòàëëà, ðàñïûëåíèåì, ñòèìóëèðîâàííûìè ôàçîâûìè ïðåâðàùåíèÿìè è ò.ä. [17]. Ïðè âíåäðåíèè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ èîíîâ â ïîâåðõíîñòü, íàáëþäàåìîì ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè, îñíîâíûì ôàêòîðîì, ïðèâîäÿùèì ê óïðî÷íåíèþ ìàòåðèàëîâ, ÿâëÿåòñÿ îáðàçîâàíèå íîâûõ íèòðèäíûõ ôàç, îáëàäàþùèõ âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, à òàêæå òîðìîæåíèå äèñëîêàöèé âîêðóã îáðàçóþùèõñÿ âêëþ÷åíèé.  òàáë. 3. ïðåäñòàâëåíû äàííûå [13 16] ïî èññëåäîâàíèþ âëèÿíèÿ àçîòèðîâàíèÿ, ïðîâåäåííîãî ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè íà ñîñòàâ è ñâîéñòâà îáðàáîòàííîé ïîâåðõíîñòè è ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ. Ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿëè èîííîå àçîòèðîâàíèå â àçîòå (ÈÀÀ), òðàäèöèîííîå ãàçîâîå àçîòèðîâàíèå (ÃÀ) è èîííîå àçîòèðîâàíèå â àçîòî-âîäîðîäíîé ñìåñè (ÈÀÀÂÑ). Âñå ïðîöåññû îñóùåñòâëÿëè ïðè òåìïåðàòóðå 500 550îÑ. Êàê Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 ñëåäóåò èç ýòîé òàáëèöû, ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â ÷èñòîì àçîòå, íà ïðèìåðå ñòàëè 5ÕÍÌ, âîçìîæíî çíà÷èòåëüíî áîëüøåå, ÷åì ïðè ãàçîâîì àçîòèðîâàíèè, óâåëè÷åíèå òâåðäîñòè. Àíàëèç ñîäåðæàíèÿ âîäîðîäà â ïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ îáðàçöîâ ïîêàçûâàåò, ÷òî àçîòèðîâàíèå â ïëàçìå äóãè ñ òåðìîýìèññèîííûì êàòîäîì ïðàêòè÷åñêè íå ñîïðîâîæäàåòñÿ íàâîäîðîæèâàíèåì ñòàëåé, íàáëþäàåìîì ïðè òðàäèöèîííûõ ìåòîäàõ ãàçîâîãî è èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ â àçîòî-âîäîðîäíûõ ñìåñÿõ. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðè ãàçîâîì àçîòèðîâàíèè ñòàëè 5ÕÍÌ â àììèàêå ñîäåðæàíèå âîäîðîäà âîçðîñëî â 8,5 ðàç, à ïðè èîííîì àçîòèðîâàíèè â òëåþùåì ðàçðÿäå â àçîòîâîäîðîäíûõ ñìåñÿõ âîçðîñëî â 9 ðàç. Ïîñëå èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ ñ ïîìîùüþ äóãè ñ òåðìîýìèññèîííûì êàòîäîì ñîäåðæàíèå âîäîðîäà âîçðîñëî ìåíåå ÷åì â 1,5 ðàçà, ïî ñðàâíåíèþ ñ åãî èñõîäíûì çíà÷åíèåì. Íåçíà÷èòåëüíîå íàâîäîðîæèâàíèå ìàòåðèàëà â èññëåäóåìîì ìåòîäå àçîòèðîâàíèÿ íå âåäåò ê îõðóï÷èâàíèþ ïîâåðõíîñòè ñòàëåé, î ÷åì ñâèäåòåëüñòâóåò îòñóòñòâèå ñêîëîâ íà îòïå÷àòêàõ àëìàçíîé ïèðàìèäû ïðè èçìåðåíèè ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ. Îïèñàííûé âûøå âàðèàíò èîííî-ïëàçìåííîãî àçîòèðîâàíèÿ â ÷èñòîì àçîòå ñ èñïîëüçîâàíèåì òåðìîýìèññèîííîãî èñòî÷íèêà ïëàçìû áûë àïðîáèðîâàí ïðè îáðàáîòêå îïûòíûõ ïàðòèé øòàìïîâ äëÿ âûðóáíûõ àâòîìàòîâ (Ñò.5ÕÍÌ), ïðåññôîðì äëÿ âûðóáêè ðåçèíîâûõ êîëåö (Ñò. Ð6Ì5), øòàìïàõ äëÿ ïðàâêè òðóá èç íåðæàâåþùèõ ñòàëåé äëÿ àòîìíîé ïðîìûøëåííîñòè (Ñò.5ÕÍÌ) [5]. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ áûëî äîñòèãíóòî ïîâûøåíèå èçíîñîñòîéêîñòè è ñðîêà ñëóæáû èíñòðóìåíòîâ â 3 − 5 ðàç. ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÎÍÍÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß Äëÿ èîííîãî àçîòèðîâàíèÿ òàê æå ýôôåêòèâíî ïðèìåíÿþò íèçêîýíåðãåòè÷åñêèå èîííûå èñòî÷íèêè [18]. Èñïîëüçîâàíèå âûñîêîäîçîâîé èîííîé èìïëàíòàöèè ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü àçîòèðîâàííûå ñëîè òîëùèíîé ñóùåñòâåííî ïðåâûøàþùåé ïðîåêòèâíûå ïðîáåãè èîíîâ. Íà ðèñ. 10 ïðèâåäåíû äàííûå ýêñïåðèìåíòîâ è êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ êîíöåíòðàöèè àçîòà â ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè [4, 19]. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, äàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü òîëñòûå àçîòèðîâàííûå ñëîè. Îñîáåííî àêòóàëüíî ïðèìåíåíèå èîííîé îáðàáîòêè ïðè íèçêèõ è ñðåäíèõ òåìïåðàòóðàõ âî èçáåæàíèå ôàçîâûõ ïåðåõîäîâ è ñåãðåãàöèè â ìàòðèöå. Ðèñ. 10. Êîíöåíòðàöèÿ àçîòà â àóñòåíèòíîé ñòàëè, îáëó÷åííîé èîíàìè àçîòà äî äîçû 3,5.1019 èîí/ñì2. Êðèâàÿ 1 ïðè òåìïåðàòóðå T = 543K è ïëîòíîñòè òîêå J=0,5 ìÀ/ñì2, êðèâàÿ 2 ïðè T = 673 K è J = 0,5 ìÀ/ñì2, êðèâàÿ 3 ïðè T = 673K è J = 1,0 ìÀ/ñì2. Ìàðêåðû - ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå. 45 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß Òàáëèöà 3 Ñðàâíèòåëüíûå õàðàêòåðèñòèêè àçîòèðîâàííûõ ñëîåâ Ñòàëü 5ÕÍÌ Ó8 40Õ13 Ð18 Ñïîñîá àçîòèðîâ. Ïîâåðõíîñòü îáðàçöà Ñîäåðæàíèå % àò. Ïðèïîâåðõíîñòíûé ñëîé ÐV0,1 ÃÏà Ôàçîâûé cîñòàâ Ðàññòîÿí.îò ïîîâ., ìêì Àçîò % àò. HV0,1 ÃÏà àçîò âîäîðîä íå àçîò. 0,12 0,4 2,4÷2,7 F eα - - - ÈÀÀ 22 - 7,0÷9,5 γ '+ Fe ñ óâåë. ïåð. 10 19,2 8,4 8,7 ε+γ ÃÀ 3,0 3,4 3,2÷3,8 Feα+ γ ' - - - - ÈÀÀ 28 - 7,7÷10 Fe + ε 10 21,4 4,0 5,0 F eα + ε ÈÀÀ 9,5 0,57 6,0÷8,0 10 2 íå àçîò. 0,095 - 2,3÷2,5 - - - - - ÈÀÀ 17,5 - 8,7÷10,0 - 10 - 7,2 8,4 γ + ε + Fe3C (ñëåäû) ÈÀÀ 25,0 - 4,7÷5,7 Fe3C + ε + Fe γ + γ ' 10 - 2,3 2,6 F eα + ε + γ ' ÃÀ 9,6 íå èçì. 3,0÷3,4 F e α+ γ ' + ε - - - - ÈÀÀÂÑ 2,1 íå èçì. 3,6÷5,0 - - - - - ÈÀÀ 27 - 13÷14 F eα + ε 8 9 27,7 - ε + γ ' + F eγ ÃÀ 9,1 - 12÷12,9 F eα + ε - - - - ÈÀÀÂÑ 27,4 5,2 12,1÷12,9 - - - - - Íà ïðàêòèêå ïðèìåíÿåòñÿ âûñîêîäîçîâàÿ èìïëàíòàöèÿ íå òîëüêî àçîòà, íî è äðóãèõ èîíîâ. Âîçìîæíîñòü ñóùåñòâåííîãî óëó÷øåíèÿ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè è ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ êîíñòðóêöèîííûõ, èíñòðóìåíòàëüíûõ è äåëÿùèõñÿ ìàòåðèàëîâ áåç èçìåíåíèÿ èõ îáúåìíûõ ñâîéñòâ è ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ êîíêðåòíûõ äåòàëåé ïðèâëåêàåò ïðèñòàëüíîå âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé è èíæåíåðîâ ñ ñåðåäèíû 70-õ ãîäîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ ìîäèôèöèðîâàíèÿ ïîâåðõíîñòè óñïåøíî ïðèìåíÿþò èìïëàíòàöèþ èîíîâ ðÿäà ìåòàëëîâ [17] è àêòèâíûõ ãàçîâ [20-24]. Îñîáûé èíòåðåñ ìíîãèõ èññëåäîâàòåëåé âûçûâàåò èìïëàíòàöèÿ èíåðòíûõ ãàçîâ [17]. Íà ðèñ. 11 ïðèâåäåíû êèíåòè÷åñêèå êðèâûå êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé îáðàçöîâ Zr, îáëó÷åííûõ èîíàìè Ar+ ïðè ðàçëè÷íûõ äîçàõ. Èç ðèñóíêà ñëåäóåò, ÷òî ýôôåêò çàìåäëåíèÿ êîððîçèè îáíàðóæèâàåòñÿ âî âñåì èññëåäóåìîì èíòåðâàëå äîç îáëó÷åíèÿ. Íàèáîëüøèé ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ äëÿ äîçû îáëó÷åíèÿ 4⋅1016 èîí/ñì2 Ðèñ.11. Âëèÿíèå èîííîé èìïëàíòàöèè íà êîððîçèþ Zr. 1. Íåîáëó÷åííûå îáðàçöû ñâèäåòåëè; 2. D i = 1015 ñì2; 3. Di = 5⋅1015ñì2 4. Di = 1016 ñì2; 5. D i= 4⋅1016 ñì2. 46 Ôàçîâûé ñîñòàâ (êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü â 2 ðàçà âûøå, ÷åì äëÿ íåîáëó÷åííûõ îáðàçöîâ) [14]. Çíà÷èòåëüíî áîëüøèé, ÷åì íà öèðêîíèè, àíòèêîððîçèîííûé ýôôåêò îò îáëó÷åíèÿ èîíàìè àðãîíà íàáëþäàåòñÿ ïðè îáðàáîòêå óðàíîâûõ îáðàçöîâ äàæå ïðè ýíåðãèÿõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøèõ ïîðîãîâûõ [20]. Ïðè ýíåðãèè èîíîâ â 5 êý íàáëþäàåòñÿ çàìåäëåíèå êîððîçèè, îñîáåííî íà ýòàïå èñïûòàíèé äî 1000 ÷àñîâ (ñì. ðèñ. 12) [14]. Ñ óâåëè÷åíèåì æå ýíåðãèè èîíîâ àðãîíà äî 10 25 êý ñòåïåíü çàìåäëåíèÿ êîððîçèè ñîñòàâëÿåò îò 60 % äî 430 %, ïî ñðàâíåíèþ ñ êîíòðîëüíûìè îáðàçöàìè. Ðèñ.12. Çàâèñèìîñòü óâåëè÷åíèÿ ìàññû óðàíîâûõ îáðàçöîâ, îáëó÷åííûõ èîíàìè Ar+, îò äëèòåëüíîñòè óñêîðåííûõ êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé âî âëàæíîé àòìîñôåðå. Óñëîâèÿ èñïûòàíèé: Ò = +60îÑ; âëàæíîñòü 98%; Di = 1.1017 èîí/ñì2. 1- Íåîáëó÷åííûå îáðàçöû-ñâèäåòåëè; 2 - Åi = 5 êýÂ; 3 - Åi =10 êÂ; 4 - Åi =15 êýÂ; 5 - Åi = 25 êýÂ. Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 Â.À. Áåëîóñ, Â.È. Ëàïøèí, È.Ã. Ìàð÷åíêî, È.Ì. Íåêëþäîâ Äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè ôèçè÷åñêèé ìåõàíèçì âîçäåéñòâèÿ îáëó÷åíèÿ èíåðòíûìè ãàçàìè íà çàìåäëåíèå êîððîçèè íå óñòàíîâëåí. Âîçìîæíûì îáúÿñíåíèåì ÿâëÿåòñÿ çàìåäëåíèå êîððîçèè èç-çà îáðàçîâàíèÿ áàðüåðà èç àòîìîâ èíåðòíîãî ãàçà, ñíèæàþùåãî ñêîðîñòü ñîðáöèè õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ãàçîâ ïîâåðõíîñòüþ ìåòàëëà [21]. Óìåíüøåíèå ñêîðîñòè êîððîçèè ìîæåò áûòü òàêæå ñâÿçàíî ñ âîçíèêíîâåíèåì â îáëó÷åííîé ïîâåðõíîñòè ãàçîâûõ ïóçûðåé. Òàêèå ïóçûðè ìîãóò èãðàòü ðîëü äèôôóçèîííîãî áàðüåðà äëÿ âàêàíñèé îáëó÷àåìîãî ìåòàëëà íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà ìåòàëë-îêñèä, ÷òî è âåäåò ê òîðìîæåíèþ ïðîöåññà îêèñëåíèÿ [22]. Àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû ïîâûøåíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè íàáëþäàëè òàêæå ïðè âûñîêîäîçîâîé èîííîé èìïëàíòàöèè ðÿäà ìåòàëëîâ èîíàìè Zr, Mo, Nb, Ti, Al [25]. Íàèáîëåå ÿðêî ýòîò ýôôåêò, êàê è â ñëó÷àå èìïëàíòàöèè èíåðòíûõ ãàçîâ, íàáëþäàåòñÿ ïðè îáðàáîòêå óðàíà (ðèñ. 13) [9, 26]. Ðèñ. 13. Çàâèñèìîñòü ïðèâåñîâ îáðàçöîâ îò äëèòåëüíîñòè êîððîçèîííûõ èñïûòàíèé: 1 èñõîäíûé óðàí; 2, 3, 4 óðàí, îáëó÷åííûé èîíàìè àëþìèíèÿ ïðè Di = 1.1017èîí/ñì2, Uï = 2,5ê (2), 5 ê (3), 7,5 ê (4). Èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷åíû ïðè îáëó÷åíèè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëà èìïóëüñíûìè ïëàçìåííûìè ïîòîêàìè [27]. Îáðàçöû ñòàëåé 40Õ, 12ÕÍ3ÔÀ ØÕ15, ÕÂà îáëó÷àëèñü èìïóëüñíûìè ïîòîêàìè àçîòíîé, àçîòíî-âîäîðîäíîé, âîäîðîäíî-ãåëèåâîé è àçîòíî-ãåëèåâîé ïëàçìîé. Îïðåäåëÿëàñü çàâèñèìîñòü âåëè÷èíû ìèêðîòâåðäîñòè îò ÷èñëà ðàçðÿäîâ ïðè äîçå ýêñïîçèöèè çà îäèí èìïóëüñ 5.1016 ñì2. Ìàêñèìàëüíîå óâåëè÷åíèå ìèêðîòâåðäîñòè (ïðèìåðíî â 3 ðàçà, ïî ñðàâíåíèþ ñ ìèêðîòâåðäîñòüþ íåîáëó÷åííûõ îáðàçöîâ) äëÿ ñòàëè 40Õ íàáëþäàåòñÿ ïðè îáùåé äîçå ýêñïîçèöèè 5.1017ñì2, à äëÿ ñòàëè 12ÕÍÇÀ ïðè 1018ñì2. Ïîâûøåíèå ìèêðîòâåðäîñòè â îáëó÷åííûõ îáðàçöàõ ñòàëåé ÕÂÃ, ØÕ15 è ñòàëè 45 äîñòèãàëî 2 4 ðàçà. Ðèñ. 14. Ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîòâåðäî ñòè ïî ãëóáèíå îò ïîâåðõíîñòè îáëó÷åííûõ îáðàçöîâ ñòàëåé è ñïëàâà ïîòîêàìè âîäîðîäíî-ãåëèåâîé ( ), àçîòíîé ( ) è âîäîðîä-àçîòíîé ( ) ïëàçìû. Ô²Ï ÔÈÏ PSE , 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1 Íàáëþäàåìîå óâåëè÷åíèå ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ ñòàëåé ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ñòðóêòóðíî-ôàçîâîãî èçìåíåíèÿ è ëèøü ÷àñòè÷íî ïðîöåññà àçîòèðîâàíèÿ ïîâåðõíîñòè. Ïîäòâåðæäåíèåì ýòîìó ñëóæèò îäèíàêîâûé õîä çàâèñèìîñòè ìèêðîòâåðäîñòè ïî ãëóáèíå îáðàçöîâ, îáëó÷åííûõ ïîòîêàìè ðàçëè÷íîãî ñîñòàâà ïëàçìû (ñì. ðèñ. 14). Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ãëóáèíà èçìåíåíèÿ ìèêðîòâåðäîñòè îáðàçöîâ ñóùåñòâåííî (â ñîòíè ðàç) ïðåâûøàåò ïðîåêòèâíûå ïðîáåãè èîíîâ. Ýôôåêò ãëóáèííîãî óïðî÷íåíèÿ ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè ðàçëè÷íûõ âèäàõ îáëó÷åíèÿ.  ñëó÷àå ïëàçìåííîãî èìïóëüñíîãî âûñîêîäîçîâîãî îáëó÷åíèÿ îñíîâíóþ ðîëü èãðàþò èìïóëüñíûå íàãðåâû ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ äî òåìïåðàòóð íàìíîãî ïðåâûøàþùèõ òåìïåðàòóðó ïëàâëåíèÿ. Îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò âûñîêîäîçîâàÿ èìïëàíòàöèÿ ìåòàëëîâ, êîòîðûå ìîãóò âûïîëíÿòü çàùèòíûå ôóíêöèè: àëþìèíèé, òèòàí, õðîì è äð. Íà ðèñ. 15 ïðèâåäåíû êîíöåíòðàöèîííûå çàâèñèìîñòè àëþìèíèÿ ïî ãëóáèíå â îáðàçöàõ ìåäè [28]. Âèäíî, ÷òî ïðîíèêíî- Ðèñ. 15. Êîíöåíòðàöèîííûå ïðîôèëè àëþìèíèÿ, èìïëàíòèðîâàííîãî â ìåäü, â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû îáëó÷åíèÿ. Ýíåðãèÿ èîíîâ 2,7 êýÂ, ïëîòíîñòü èîííîãî òîêà 2,1 ìA/ñì2. Âðåìÿ îáëó÷åíèÿ 15 ìèí. Ìàðêåðàìè íàíåñåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè, ëèíèÿìè ðåçóëüòàòû êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ. âåíèå àëþìèíèÿ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ïðåâûøàåò ïðîåêòèâíûé ïðîáåã èîíîâ â ìåäè. Íà òîì æå ðèñóíêå ïðèâåäåíû äàííûå ðàñ÷åòîâ äèôôóçèè èìïëàíòèðîâàííîé ïðèìåñè ñ ýíåðãèåé àêòèâàöèè 0,15 ýÂ. Î÷åâèäíî, ÷òî ìû èìååì äåëî ñ ñóùåñòâåííûì óñêîðåíèåì äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ ïîä äåéñòâèåì îáëó÷åíèÿ. Âûÿñíåíèå ýòèõ ìåõàíèçìîâ ìîæåò ïðèâåñòè ê ñîçäàíèþ íîâûõ ýôôåêòèâíûõ òåõíîëîãèé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè. ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ Â ðàáîòå ðàññìîòðåíû ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ èîííîãî è èîííîïëàçìåííîãî îáëó÷åíèÿ íà ìîäèôèêàöèþ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ìàòåðèàëîâ. Íà ïðèìåðå îðèãèíàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ïðîâîäèìûõ â ÍÍÖ ÕÔÒÈ è ÍÔÒÖ, ïîêàçàíà ðîëü èîííîé áîìáàðäèðîâêè â òàêèõ ïðîöåññàõ, êàê èîííàÿ î÷èñòêà, èîííîå àçîòèðîâàíèå, âûñîêîäîçîâàÿ èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ. Ïðåäñòàâëåíû äàííûå ïî ýôôåêòó ãëóáèííîãî óïðî÷íåíèÿ è àíîìàëüíî ãëóáîêîãî èîííîãî ïðîíèêíîâåíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîâåðõíîñòíîãî óïðî÷íåíèÿ è óâåëè÷åíèÿ êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè ïðè èîííîé èìïëàíòàöèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ èîííîãî îáëó÷åíèÿ ìîæíî ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü èçíîñîñòîéêîñòü è ñðîê ñëóæáû èçäåëèé. 47 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ.I. ÈÎÍÍÀß Î×ÈÑÒÊÀ È ÂÛÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀß ÈÌÏËÀÍÒÀÖÈß Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî íàìåòèâøàÿñÿ â ïîñëåäíåå âðåìÿ òåíäåíöèÿ ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ ïîëó÷àåìûõ ïîêðûòèé, ïîëó÷èò ñâîå äàëüíåéøåå ðàçâèòèå ïðè ðàçðàáîòêå ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñ çàïðîãðàììèðîâàííûìè ñâîéñòâàìè.  òî æå âðåìÿ îñíîâíûå äîñòèæåíèÿ èîííûõ òåõíîëîãèé áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ óðîâíåì ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé â îáëàñòè âëèÿíèÿ èîííîé áîìáàðäèðîâêè íà ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ. Äàëüíåéøåå óãëóáëåíèå òàêèõ èññëåäîâàíèé ìîãóò ïðèâåñòè ê ñîçäàíèþ íîâûõ ýôôåêòèâíûõ òåõíîëîãèé ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè. ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ 1. Ensinger W. Low energy ion assist during deposition an effective tool for controlling thin film microstructure.//Nucl. Instr. And Meth. In Phys.Rec. 1997. B 127/128. Ð. 796-808. 2. Eckstein W. Computer Simulation of Ion-Solid Interactions. Springer-Verlag, 1991. 296 ð. 3. Mishin Y., Farkas D., Mehl M.J. Papaconstantopolous D.A. Interatomic potentials for monoatomic metals from experimental data and ab initio calculations//Phys. Rev.2002. Vol. 59, ¹ 5. P. 3393-3407. 4. Ìàð÷åíêî È.Ã., Ãóãëÿ À.Ã., Íåêëþäîâ È.Ì. Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå îáðàçîâàíèÿ àçîòèðîâàííûõ ñëîåâ â æåëåçå ïðè âûñîêîäîçíîé èîííîé èìïëàíòàöèè // Âåñòíèê Õàðüêîâñêîãî íàöèîíàëüíîãî óíèâåðñèòåòà . Ñåð. ßäðà,÷àñòèöû, ïîëÿ, ¹ 548. 2002. Âûï. 1 (17). Ñ. 48-52 5. Áåëîóñ Â.À.. Èîííî-ïëàçìåííàÿ îáðàáîòêà ìàòåðèàëîâ â âûñîêîïëîòíûõ ïîòîêàõ ãàçîâîé ïëàçìû//Íîâ³ ìàòåð³àëè ³ òåõíîëî㳿 â ìåòàëóð㳿 òà ìàøèíîáóäóâàíí³. 2001. ¹ 1. Ñ.80-85. 6. Àêñåíîâ È.È., Àíäðååâ À.À. è äð. Ïîêðûòèÿ, ïîëó÷åííûå êîíäåíñàöèåé ïëàçìåííûõ ïîòîêîâ â âàêóóìå// ÓÔÆ. 1979 Ò. 24, ¹ 4. Ñ. 515525. 7. Àêñåíîâ È.È., Õîðîøèõ Â.Ì. Ïîòîêè ÷àñòèö è ìàññîïåðåíîñ â âàêóóìíîé äóãå. Ì.: ÖÍÈàòîìèíôîðì, 1984. 78 ñ. 8. Áåëîóñ Â.À., Êàðòìàçîâ Ã.Í., Ìèðîíîâ Â.Â., Ëåîíîâ Ñ.À., Ïàâëîâ Â.Ñ. Ïîðèñòîñòü êîíäåíñàòà õðîìà, ïî-ëó÷àåìîãî èç ïëàçìû âàêóóìíîé äóãè // ÂÀÍÒ. 1998. Âûï. 3(69). Ñ. 143145. 9. Áåëîóñ Â.À. Èîííîå ðàñïûëåíèå ìàòåðèàëîâ â âûñîêîïëîòíûõ ïëàçìåííûõ ïîòîêàõ//Ðàäèîýëåêòðîíèêà è èíôîðìàòèêà. 2001. ¹ 3. Ñ. 2731. 10. Íîñîâ Ã.È., Êàëèíèíà È.Å., .Áåëîóñ Â.À. Âëèÿíèå èîííîãî îáëó÷åíèÿ íà ìîäèôèêàöèþ ïîâåðõíîñòè ñïëàâà íà îñíîâå öèðêîíèÿ //ÌÒÎÌ. 2001. ¹ 1 (12). Ñ.36 40. 11. Àíäðååâ À.À., Ñàáëåâ Ë.Ï.//Òðóäû óêðàèíñêîãî âàêóóìíîãî îáùåñòâà. 1996. Ò.2. Ñ. 246. 12. Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È. Èññëåäîâàíèå ñòðóêòóðû è ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñòàëåé 5ÕÍÌ, Ð6Ì5 è ÷óãóíà Ñ×-20, àçîòèðîâàííûõ â ïëàçìå äóãè ñ òåðìî- ÐÀIJÀÖ²ÉͲ ÒÅÕÍÎËÎò¯ ÌÎÄÈÔ²ÊÀÖ²¯ ÏÎÂÅÐÕͲ. ². ²ÎÍÍÅ Î×ÈÙÅÍÍß ÒÀ ÂÈÑÎÊÎÄÎÇÎÂÀ ²ÌÏËÀÍÒÀÖ²ß Â.À. Á³ëîóñ, Â.². Ëàïøèí, ².Ã. Ìàð÷åíêî, ².Ì. Íåêëþäîâ Ó ðîáîò³ ðîçãëÿíóòî ô³çè÷í³ ìåõàí³çìè âïëèâó ³îííîãî òà ³îííî-ïëàçìîâîãî îïðîì³íåííÿ íà ìîäèô³êàö³þ ïîâåðõíåâèõ øàð³â ìàòåð³àë³â. Íà ïðèêëàä³ îðèã³íàëüíèõ äîñë³äæåíü, ïðîâåäåíèõ ó ÍÍÖ ÕÔÒ² òà ÍÔÒÖ, ïîêàçàíî ðîëü ³îííîãî áîìáàðäóâàííÿ â òàêèõ ïðîöåñàõ, ÿê ³îííå î÷èùåííÿ, ³îííå àçîòóâàííÿ, âèñîêîäîçîâà ³îííà ³ìïëàíòàö³ÿ. Ïðåäñòàâëåíî äàí³ ç åôåêòó ãëèáèííîãî çì³öíåííÿ é àíîìàëüíî ãëèáîêîãî ³îííîãî ïðîíèêíåííÿ. Íàâåäåíî ðåçóëüòàòè ïîâåðõíåâîãî çì³öíåííÿ ³ ï³äâèùåííÿ êîðîç³éíî¿ ñò³éêîñò³ ïðè ³îíí³é ³ìïëàíòàö³¿. Ïîêàçàíî, ùî çà äîïîìîãîþ ³îííîãî îïðîì³íåííÿ ìîæíà ³ñòîòíî ï³äâèùóâàòè çíîñîñò³éê³ñòü ³ òåðì³í ñëóæáè âèðîá³â. 48 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. êàòîäîì//Òðóäû IX Ìåæíàöèîíàëüíîãî ñîâåùàíèÿ Ðàäèàöèîííàÿ ôèçèêà òâåðäîãî òåëà.Ò.2 Ñåâàñòîïîëü: ÍÈÈ ÏÌÒ ïðè ÌÃÈÝÌ (Óêðàèíà).1999. Ñ 779783. Belous V.A., Nosov G.I. Ion nitriding og steels in a system with a thermoionic gas plasma source//Procedings of the 6th Int. Symp. on Trends snd New Applications of Thin films (TATF98). Regensburg (Germany). 1998.Ð.307 310. Belous V.A., Nosov G.I. Proc. of the 6th Int. Simp. on Trends and New Applications on Thin Films (TATF98). Regensburg (Germanó).1998. Ð 303306. Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Êîñòðèöà Ò.Â., Ñàñèí Þ.Ä., Ñëàòèí Â.È., Ñíåæêî È.À. Èîííîå àçîòèðîâàíèå ñòàëåé // Ïåðåäîâîé îïûò.1990. ¹ 12.Ñ.2628. Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Àíòóôüåâ Þ.Ï., Äèêèé Í.Ï., Êîñòðèöà Ò.Â, Ïîäòûêàí Â.Ï., Ñàñèí Þ.Ä., Ñëàòèí Â.È., Ñíåæêî È.À. Àçîòèðîâàíèå ñòàëåé â àòìîñôåðå èîíèçèðîâàííîãî àçîòà.// Ïåðåäîâîé îïûò.1990. ¹12. Ñ. 2226. Àðòþõ Â.Ã., Áåëîóñ Â.À., Ðåêîâà Ë.Ï. Î âëèÿíèè èîííîé èìïëàíòàöèè èíåðòíûõ ãàçîâ íà êîððîçèîííóþ ñòîéêîñòü ìåòàëëîâ. Îáçîð/Ì.: ÖÍÈÈ Àòîìèçäàò, 1991. 39 ñ. Riviere J.P., Meheust P., Villain J.P. Wear resistance after low energy high-flux nitrogen implantation of AISI 304L stainless steel// Surf. Coat. Techn. 2002. Vol. 158159. P. 647652. Riviere J.P., Meheust P., Villain J.P. ets. High current density nitrogen implantation of an austenitic stainless steel / /Surf. Coat. Techn. 2002. Vol. 158159. P. 99104 Ëàâðåíòüåâ Â.È., Ïîãðåáíÿê À.Ä. Ïðèêëàäíûå àñïåêòû âûñîêîäîçîâîé èîííîé èìïëàíòàöèè ìåòàëëîâ// ÔÕÎÌ. 1997. ¹ 6. C. 515. Vatori R. Trans AIME //J. Lubric Technol. 1983. Vol. 4. P.534554. Ïèêðî Ò., Ïèðñè Ï. Èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ// ìèðå íàóêè. 1985. ¹ 5. Ñ. 5058. Òîìàøåâ Í.Ä., Òàøëûêîâ È.Ñ., Æèëüöîâà Î.À. è äð., Êîððîçèîííîå ïîâåäåíèå ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñïëàâà Ti-Pd, ïîëó÷åííîãî ïóòåì ïîëèýíåðãåòè÷åñêîé èìïëàíòàöèè èîíîâ Pd+ â òèòàí// Çàøèòà ìåòàëëîâ.1987.Ò.25, ¹ 5. Ñ. 791795 Ratcliffe P.J. and Collins R.A. Thermal oxidation of ion implanted copper//Phys. Stat. Sol. (a). 1988. Vol.108, ¹ 2. P. 537543. Dearnaley G. U.K Patent application GB. 2.058.146 A. Inf. c l. c 23F 15/00. 1983. Áåëîóñ Â.À., Íîñîâ Ã.È., Ãðèöûíà Â.Ò., Ïåðøèí Â.Ä. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÐÔÝÑ äëÿ àíàëèçà ïîâåðõíîñòè αU îáëó÷åííîãî èîíàìè Al//ÂÀÍÒ. 2000. ¹ 4(78). Ñ. 368 369. Ëàïøèí Â.È., Íåêëþäîâ È.Ì., Òåðåøèí Â.È. Èñïîëüçîâàíèå èìïóëüñíûõ ïîòîêîâ ïëàçìû â ïðîöåññàõ ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëîâ// ÂÀÍÒ. 2002. Âûï. 3(82). C. 133145. Safonov V.I., Marchenko I.G. Ti and Al layers formation during low energy ion-plasma treatment of copper// Surface and Coatings Technology.2002. Vol. 158159. P. 105 107. ION BEAM TECHNOLOGIES OF SURFACE MODIFICATION. I. ION CLEANING AND HIGH DOSE IMPLANTATION V.A. Bilous, V.I. Lapshin, I.G. Marchenko, I.M. Nekludov Paper presents the review of physical mechanism of ion beam influence on surface modification. The role of ion bombardment on ion cleaning, ion nitriding, high dose ion implantation was shown. The examples of original investigations in this field of National Science Center Kharkov Institute of Physics and Technology and Scientific Center of Physical Technologies (Kharkov) are given. The effect of high depth ion penetration is discussed. Surface hardness and corrosion resistance are shown to improve during ion implantation. Sufficient improvement of surface wear resistance and lifetime of products after ion beam treatment are demonstrated. Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol 1, No 1