Взаимодействие потока неравновесной низкотемпературной плазмы с поверхностью металлов

Казанский научно-исследовательский технологический университет

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

Взаимодействие потока неравновесной низкотемпературной плазмы с поверхностью металлов.

 

 

 

 

                                                                                                   Работу выполнил:

                                                                                                        студент гр. 4261-32

                                                                                             Кадыров Ф.Ф.

                                                                                             Руководитель:

                                                                                            Шаехов М.Ф.

 

 

Казань 2011

Плазма, генерируемая высокочастотными разрядам, обладает рядом преимуществ по сравнению с другими плазменными источниками (дуговой, тлеющий разряд и др.) К ним, в частности, относятся: повышенная чистота плазмы из-за отсутствия электродов и практически неограниченный ресурс работы.

Наиболее широкое практическое применение нашла плазма высокочастотного индукционного разряда при атмосферном давлении. Высокочастотные плазменные горелки используются для изготовления монокристаллов из огнеупорных металлов и окислов, сфероидизации частиц, получения ультрадисперсных абразивных порошков ZrО2, SiО2 с размерами частиц менее 0,1 мкм, финишной полировки полупроводниковых пластин, получения кремния и его соединений, пигментной двуокиси титана, восстановления металлов из окислов и других соединений, синтеза интерметаллических соединений на основе ниобия и ванадия. ВЧ плазмотроны применялись для образования износостойких, термостойких, жаростойких покрытий, обработки изделий из стекла и хрусталя, очистки поверхности перед нанесением пленки кварца.

В последнее время, в связи с развитием неравновесной плазмохимии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделиях, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышенные требования (износо- и коррозионная стойкость, высокая твердость, однородность микроструктуры поверхности), все большее практическое применение находит плазма ВЧ-разрядов пониженного давления. Последняя, обладая всеми преимуществами ВЧ-разрядов, имеет ряд специфических свойств, присущих разрядам при низких давлениях: существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверхзвуковых высокотемпературных потоков.

Процесс получения покрытий с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы представляет собой разновидность взаимодействия ВЧ плазмы с твердым телом. Первая стадия - это обработка материала в виде стержня или порошка в режимах, при которых происходит интенсивное испарение - распыление. Вторая стадия - взаимодействие плазмы с напыляемыми частицами в процессе транспортировки к подложке. Третья стадия - обработка осаждаемого покрытия. Непрерывный процесс взаимодействия ионов плазмообразующего газа с напыляемым покрытием позволяет получать пленки с улучшенными параметрами — повышенной адгезионной прочностью за счет образования диффузного переходного слоя; плотностью, которая приближается к плотности объемного материала; поверхностью, на которой практически отсутствуют примесные дефекты, микропоры, микротрещины.

Другим важным применением ВЧ-разрядов пониженного давления является обработка материалов с целью придания их поверхности заданных свойств. Использование этих разрядов для обработки материалов основано не только на его термическом воздействии, как это имеет место при применении ВЧ-индукционного разряда атмосферного давления, но и на процессах, связанных с неравновесностью данной плазмы.

Обработка поверхности металлов и их сплавов, полупроводников, диэлектриков, тонкопленочных материалов дозволяет повысить усталостную прочность с одновременным увеличением коррозионной стойкости, уменьшить шероховатость, удалить трещиноватый и рельефный слои, обеспечить высокоэффективную очистку поверхностного слоя с ликвидацией примесных дефектов.

Анализ существующих электрофизических процессов модификации показывает, что наиболее близкими ВЧ плазменной модификации по результатам воздействия на поверхность являются очистка в тлеющем разряде и ионно- лучевая обработка.

Энергия ионов в положительном столбе тлеющего разряда не превышает 1 эВ. При взаимодействии с поверхностью происходит очистка ее от загрязнений и несколько снижается шероховатость (у твердых тел). В процессе ионно-лучевой обработки ионы приобретают энергию в несколько сотен и тысяч электронвольт. При бомбардировке твердого тела ионами происходит распыление поверхностного слоя и образование захороненных слоев. В результате снижался шероховатость поверхности и изменяется структура материала в приповерхностном слое на глубине до 150 мкм.

Сравнение различных методов модификации поверхностного слоя в машиностроении показало, что такие широко распространенные методы модификации, как лазерный, газотермическое напыление, электроискровое легирование, наплавка и т.п., не позволяют реализовать ряд видов модификации, достигнутых ВЧ -плазменной обработкой.

Воздействие плазмы на поверхность материалов осуществляется в результате ряда сложных, взаимосвязанных процессов энергетического, массового и зарядового обменов частиц плазмы с атомами обрабатываемого тела. Результатом таких взаимодействий являются десорбции атомов и молекул с поверхностью тела, распыление и испарение частиц материала, изменения структуры и фазового состояния. При плазменной обработке происходит взаимодействие материалов с активными и неактивными частицами плазмы, имеющими высокую кинетическую или потенциальную энергию. Различают физическое и химическое взаимодействия частиц.

При физическом взаимодействии частицы обладают в основном кинетической энергией, которая может превышать тепловую на несколько порядков величин. Заряженные частицы имеют также высокую потенциальную энергию - энергию рекомбинации. В связи с этим частицы приобретают способность при соударении с поверхностью твердых тел физически распылять материал.

При химическом взаимодействии активные частицы имеют высокую потенциальную энергию, определяемую наличием ненасыщенных химических связей. Взаимодействие таких частиц с обрабатываемым материалом ведет к формированию химических соединений.

В процессе обработки полностью разделить физическое, химическое взаимодействия, указать какой-либо один процесс, отвечающий за эффект плазменного воздействия, невозможно каждый из процессов несет в себе элементы другого. Результат обработки, как правило, обусловлен одновременным воздействием на материал различных факторов и определяет параметрами создаваемой плазмы. Однако в реальных процессах плазменной обработки можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность их протекания. В зависимости от свойств низкотемпературной плазмы и зарядового состояния поверхности обрабатываемого материал определяется основной механизм взаимодействия и вид частиц, вносящих наиболее существенный вклад в модификацию поверхности. Выделяют следующие разновидности физического взаимодействии:

-бомбардировка поверхности ионами инертных газов;

-бомбардировка поверхности электронами плазмы;

-дезактивация возбужденных атомов инертного газа в поверхности;

-воздействие теплового потока на поверхность;

-воздействие различных видов излучения.

Рассмотрим кратко основные процессы физического взаимодействия при плазменной обработке и возможность их осуществления в плазме ВЧ разряда пониженного давления.

Эффект ионной бомбардировки зависит от соотношения ионной и электронной температур, заряда и массы ионов, определяющих кинетическую и потенциальную энергии взаимодействия. В зависимости от энергии ионов в результате ионной бомбардировки возможны три основных эффекта: имплантация, структурные превращения, катодное распыление.

При ионной имплантации любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого тела, помещенного в вакуумную камеру посредством пучка высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектрон – вольт. Ионы внедряются в материал на глубину от 0,01 до 1 мкм. Для реализации процесса ионной имплантации необходимо иметь специализированные установки, включающие ионный источник, ускоряющие системы, фокусирующие элементы, массосепаратор и т.д. Поэтому при обработке изделий в струях ВЧ разрядов пониженного давления ионная имплантация практически отсутствует.

При ионной бомбардировке в твердых телах может происходить несколько типов структурных превращений: аморфизация (кристалл -> аморфное вещество), кристаллизация (аморфное вещество -> кристалл), изменение размера и ориентации зерен в поликристалле, изменение типа кристаллической решетки (кристалл -> кристалл). В  высокомолекулярных материалах возможны также информационные изменения. Для реализации этого процесса в телах неорганической природы необходима энергия  ионов порядка сотен килоэлектрон-вольт. Как и в первом случае, для этого требуется специализированное оборудование и в низкотемпературной плазме эта разновидность модификации поверхности практически не происходит.

Широко используемой разновидностью физического воздействия плазмы является ионное распыление, которое интенсивно происходит в интервале энергии от 100 эВ до 100к эВ. Энергетически наиболее эффективный процесс распыления материалов начинается при энергии ионов 340- 460 эВ, однако может протекать и при более низких энергиях. Этот процесс реализуется, например, в методе катодного распыления. Для описания распыления существует несколько моделей, предполагающих два основных механизма процесса. Согласно первому, распыленные атомы возникают в результате сильного локального разогрева поверхности материала в месте падения иона. При втором передача энергии и импульса бомбардирующего иона атомам материала вызывает каскады упругих столкновений, смещенных из своих равновесных состояний атомов, результатом которых становится распыление.

Физическое распыление характеризуется значением пороговой энергии Ei , которая зависит от энергии связи распыляемых частиц с поверхностью Es (энергии сублимации, или атомизации) и энергетического коэффициента аккомодации частиц  αE  учитывающего относительную долю энергии, передаваемой падающей частицей с массой М1 атому поверхности с массой М2 в акте упругого столкновения,

αE =4 М1М2/ (М1+ М2)2

Величина Ei определяется соотношением Ei αE > Es. Для металлов величина Es не превосходит 10 эВ, поэтому пороговая энергия Et при распылении атомами и ионами не превышает 40 эВ.

Количественной характеристикой процесса является коэффициент распыления ks , равный числу распыляемых атомов, приходящихся на один ион, бомбардирующий поверхность. Так, например, при бомбардировке алюминия ионами Аг* с энергией Wi =1 эВ, падающими нормально к поверхности материала мишени, коэффициент распыления ks ≈1,94 атом/ион, для Сu - к$ ≈3,64, Ge - ks ≈1,5, Si - ks ≈1.

Надежные экспериментальные данные о величине энергетического коэффициента аккомодации частиц αE при воздействии низкотемпературной плазмы на органические полимеры волокнистой структуры в области пороговых значений 10 - 100 эВ практически отсутствуют, особенно для поверхностей, заполненных адсорбированными атомами. Величина αE возрастает, если на поверхности адсорбирован газ с одинаковой или близкой налетающим атомам массой, так как при этом возрастает доля энергии, передаваемой поверхности в процессе рассеяния налетающего атома адсорбированным; αE зависит также от степени адсорбционного покрытия поверхности.

Химические процессы в материалах, стимулируемые обменом потенциальной энергией с активными частицами, весьма сложны и вносят существенные изменения в протекание распыления материалов. Это особенно относится к неметаллическим материалам, для которых роль процесса передачи энергий возбуждения и ионизации атомов плазмообразующего газа возрастает. В зависимости от энергии связи Es вновь образующихся химических соединений скорость процессов и коэффициенты распыления могут как возрастать, так и уменьшаться. В соответствии с этим, в высоком вакууме и в низкотемпературной плазме наблюдается и химически ускоренное, и химически замедленное распыление. В ВЧ  плазме свой вклад в распыление и модификацию поверхностного слоя могут вносить также ионно - стимулированные десорбция и адсорбция.

Процессы ионного распыления материалов осуществляется в вакууме. Степень разреженности вакуумной среды определяется возможностями откачных средств, а также осуществления ионно-плазменной обработки. Основными характеристиками данного процесса являются давление и состав газов, присутствующих в рабочей камере.

Распыленные частицы, сталкиваясь с атомами молекулами остаточного и рабочего газа, могут быть отражены обратно на поверхность распыляемого материала. Показателя степени распыления и возврата распыленных частиц материал на поверхность тела зависят от параметров разряда. Поэтому, например, основным недостатком процесса катодного  распыления на постоянном токе, ограничивающим возможности его применения, является давление рабочего газа, при котором протекает этот процесс, так как при этом существенен возврат распыленных атомов. Аналогичный эффект имеет место при плазменном азотировании с использованием тлеющего разряда. В этом случае изделие служит высоковольтным  катодом. Бомбардировка поверхности изделия частицами с большей энергией приводит к распылению.