СПОСОБЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ) И ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SIMULATION METHODS OF VACUUM ION-BEAM TREATMENT PROCESSES (VERSIONS), AND SPECIMEN FOR THEIR IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к средствам и методам исследования свойств потоков заряженных частиц, применяемых в технологических процессах ионной обработки для нанесения покрытий, ионного травления и модификации поверхностных свойств обрабатываемых деталей и изделий.
В связи со сложностью теоретического описания комплексных процессов, происходящих при формировании и распространении потоков заряженных частиц, наиболее простым и информативным является экспериментальный метод исследования. Для реализации экспериментального метода применяются контрольные образы (образцы-свидетели). С помощью приборного оборудования производится измерение различных параметров, включая измерение толщины наносимого покрытия или удаляемого материала, а также определение химического состава наносимого покрытия. Полнота получаемой в результате измерений информации зависит от конструкции и формы применяемого контрольного образца или комплекта контрольных образцов.
Известен способ исследования потоков заряженных частиц и свойств покрытий, наносимых в процессе ионной обработки, который описан в заявке DE3812020A1 (МПК: С23С 14/52, С23С 8/36, G01J 5/52, опубликована 26.10.1989). Определение параметров потоков заряженных частиц согласно данному способу осуществляется с помощью контрольного образца, установленного в вакуумной камере. В процессе ионной обработки производится сравнение температуры в генерируемом потоке, который направляется на обрабатываемые образцы, с температурой нагреваемого контрольного образца, расположенного в области распространения плазменного потока.
Наиболее близким аналогом изобретений является способ определения характеристик заряженных частиц с помощью контрольных образцов, раскрытый в заявке JP61227170 (МПК: С23С 14/52, С23С 14/54, опубликована 09.10.1986). Устройство, предназначенное для осуществления способа, содержит приемник потока заряженных частиц, который используется для нанесения покрытий на обрабатываемый образец.
В вакуумной камере вокруг обрабатываемого образца, закрепленного на держателе, расположены контрольные образцы. Данные образцы установлены на вращаемом держателе в одной плоскости с обрабатываемым образцом. Поверхность контрольных образцов отделена экраном от направленных потоков заряженных частиц. При перемещении окна, выполненного в экране, относительно потока заряженных частиц происходит осаждение одного из слоев многослойного покрытия на выбранный контрольный образец. В процессе нанесения многослойного покрытия на обрабатываемый образец с помощью контрольных образцов определяются параметры каждого слоя покрытия, которые, в свою очередь, характеризуют параметры потока заряженных частиц заданного состава. Однако данный метод не позволяет оперативно контролировать пространственные характеристики потоков заряженных частиц. Поскольку контрольные образцы имеют плоскую форму и фиксированную пространственную ориентацию, невозможно определить характеристики исследуемого потока в различных направлениях, определяемых траекториями движения заряженных частиц.
Группа изобретений направлена на обеспечение возможности оперативного контроля пространственных характеристик потоков заряженных частиц и свойств обрабатываемых поверхностей в различных направлениях (в зависимости от траекторий движения заряженных частиц). Решение данных технических задач позволяет повысить информативность и оперативность контроля характеристик потоков заряженных частиц при моделировании процессов ионной обработки.
Достижение технических результатов обеспечивается при осуществлении способа определения характеристик потоков заряженных частиц в процессе моделирования различных видов ионной обработки.
Первый вариант способа связан с моделированием процессов ионной обработки, при которых производится напыление покрытий на боковую поверхность контрольного образца. Способ включает размещение, по меньшей мере, одного контрольного образца, по крайней мере, часть которого выполнена в форме призмы, в вакуумной камере. Контрольный образец ориентируют так, чтобы поверхность, по меньшей мере, одной из его боковых граней была обращена к потоку заряженных частиц. Затем осуществляют направленное воздействие потоком заряженных частиц на боковую поверхность контрольного образца с образованием покрытия.
После завершения процесса ионной обработки (напыления покрытия) определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик граней боковой поверхности контрольного образца: элементный состав покрытия, толщину покрытия, твердость, величину поверхностного потенциала, границы зоны нанесенного покрытия. По полученным данным определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик потока заряженных частиц: пространственную структуру потока, распределение заряженных частиц в потоке, направление движения заряженных частиц, интенсивность процесса массопереноса в потоке, границы зоны воздействия потока, угол падения заряженных частиц.
Применение контрольных образцов, выполненных в форме прямой призмы, позволяет получить полную информацию о характеристиках потока для любой технологической операции ионной обработки. Количество боковых граней контрольного образца, их размеры, пространственное расположение контрольных образцов и расстояние между ними выбираются в зависимости от конкретных условий и задач, решаемых при исследовании потоков заряженных частиц, а также в зависимости от требований по объему получаемой информации.
Плоские грани боковой поверхности контрольного образца позволяют оперативно определять характеристики поверхностного слоя образца с помощью обычных средств измерений. При этом полученная информация отражает свойства потока заряженных частиц в зависимости от направления, определяемого нормалью к поверхности грани образца. Зная параметры потока заряженных частиц по различным направлениям в соответствии с ориентацией граней контрольного образца, можно определить пространственную структуру потока заряженных частиц.
Для повышения информативности процесса измерений направленное воздействие потоком заряженных частиц осуществляют на боковую поверхность контрольного образца, часть которого выполнена в форме цилиндра, в частности в форме прямого круглого цилиндра. При этом основной участок контрольного образца может быть выполнен в форме прямой призмы. Участок контрольного образца, выполненный в форме прямой призмы, и участок контрольного образца, выполненный в форме прямого круглого цилиндра, соосны и сопряжены по своим основаниям.
Для определения направления движения потока заряженных частиц относительно обрабатываемой поверхности контрольный образец ориентируют относительно стенок вакуумной камеры, которые используются в качестве базовой поверхности. Ориентация контрольного образца может производиться с помощью маркировки, нанесенной на торцевую поверхность образца.
Оперативность контроля характеристик исследуемых потоков для данного варианта способа обеспечивается также за счет использования контрольных образцов, выполненных из материала, который отличается по цвету от наносимого покрытия.
Второй вариант способа определения характеристик потоков заряженных частиц связан с моделированием процессов ионной обработки, при реализации которых происходит удаление (распыление) поверхностного слоя с боковой поверхности контрольного образца. Данный вариант способа также включает размещение, по меньшей мере, одного контрольного образца, по крайней мере, часть которого выполнена в форме призмы, в вакуумной камере. Контрольный образец ориентируют так, чтобы поверхность, по меньшей мере, одной из его боковых граней была обращена к потоку заряженных частиц. Затем осуществляют направленное воздействие потоком заряженных частиц на боковую поверхность контрольного образца с удалением (распылением) поверхностного слоя на его боковой поверхности.
После завершения процесса ионного травления определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик граней боковой поверхности контрольного образца: твердость, толщину удаляемого слоя, величину поверхностного потенциала, границы удаляемого поверхностного слоя. По полученным данным определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик потока заряженных частиц: пространственную структуру потока, распределение заряженных частиц в потоке, направление движения заряженных частиц, интенсивность процесса массопереноса в потоке, границы зоны воздействия потока, угол падения заряженных частиц.
При осуществлении данного варианта способа, как и для первого варианта способа, могут использоваться контрольные образцы с дополнительным участком цилиндрической формы, сопряженным с участком в форме призмы. Для ориентации контрольного образца относительно стенок вакуумной камеры могут использоваться контрольные образцы с маркировкой, нанесенной на их торцевую поверхность.
Оперативность контроля характеристик исследуемых потоков для второго варианта способа достигается также за счет направленного воздействия потоком заряженных частиц на боковую поверхность контрольного образца, на которую нанесено технологическое покрытие, отличающееся по цвету от материала, из которого выполнен образец.
Технические результаты достигаются при использовании для осуществления способов определения характеристик потоков заряженных частиц одного или нескольких контрольных образцов, имеющих определенную форму боковой поверхности. Каждый контрольный образец должен содержать участок, выполненный в форме призмы. При этом поверхность боковых граней образца предназначена для воздействия потоком заряженных частиц. Боковая поверхность контрольного образца может быть выполнена в форме прямой призмы. На торцевую поверхность контрольного образца наносится маркировка с целью ориентации образца относительно поверхности стенок вакуумной камеры.
Для повышения информативности проводимых измерений контрольный образец выполняется с дополнительным участком, имеющим форму цилиндра, в частности форму прямого круглого цилиндра. Контрольный образец может содержать первый участок, выполненный в форме прямой призмы, и второй участок, выполненный в форме прямого круглого цилиндра. При этом первый и второй участки сосны и сопряжены по своим основаниям. Диаметр цилиндрической части контрольного образца может быть равен, больше либо меньше диаметра окружности, описанной вокруг правильного многоугольника, служащего основанием первого участка в форме прямой призмы.
Далее группа изобретений поясняется описанием примеров осуществления вариантов способа определения характеристик потоков заряженных частиц с помощью контрольных образцов при моделировании различных процессов ионной обработки.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - вид сбоку на контрольный образец;
на фиг.2 - вид сверху (вид А) на контрольный образец;
на фиг.3 - поперечный разрез (Б-Б) контрольного образца;
на фиг.4 - схема размещения контрольных образцов в вакуумной камере с круглым поперечным сечением;
на фиг.5 - схема размещения контрольных образцов в вакуумной камере с квадратным поперечным сечением.
Установка, предназначенная для осуществления способов определения характеристик потоков заряженных частиц, содержит вакуумную камеру и генератор потока заряженных частиц. В полости вакуумной камеры устанавливается комплект
контрольных образцов. В рассматриваемых примерах используются 9 и 12 контрольных образцов (см. фиг.5 и 4 соответственно).
Контрольные образцы устанавливаются в узлах крепления стойки, предназначенной для крепления и перемещения контрольных образцов. Стойка выполнена с возможностью вращения относительно стенок вакуумной камеры для исследования трехмерных потоков заряженных частиц.
Каждый контрольный образец содержит участок 1, выполненный в форме прямой призмы с восемью боковыми гранями (см. фиг.1 и 2). Второй участок 2 выполнен в форме прямого круглого цилиндра. Участки 1 и 2 соосны и сопряжены друг с другом по своим основаниям, одно из которых имеет форму круга (участок 2), а другое - форму правильного восьмиугольника (участок 1). При этом участки 1 и 2 имеют общую ось симметрии, проходящую через центры оснований участков.
Для оперативного контроля характеристик потока в процессе ионного травления на боковую поверхность участков 1 и 2 предварительно наносится покрытие, отличающееся по цвету от материала, из которого изготовлен контрольный образец. Контрольный образец снабжен держателем 3, который предназначен для установки образца в узле крепления на стойке.
Ориентация контрольного образца относительно стенок вакуумной камеры обеспечивается с помощью маркировки 4, нанесенной на торцевую поверхность образца в виде прямой риски. Каждый контрольный образец устанавливается в полости вакуумной камеры с помощью узла крепления стойки таким образом, чтобы одна из боковых граней участка 1 была обращена к исследуемому потоку заряженных частиц (см. фиг.2 и 3). В качестве генератора потока заряженных частиц используется вакуумно-дуговой источник ионов (для генерации потоков, содержащих ионы металлов) или газоразрядный источник ионов (для генерации потоков, содержащих ионы газов).
С целью визуализации границы раздела зоны наносимого покрытия материал контрольного образца отличается по цвету от покрытия, которое наносится на его боковую поверхность при воздействии потоком заряженных частиц. В случае образования на боковой поверхности контрольного образца покрытий, имеющих светло- и темно-серые (стальные) цвета, в качестве материала образца применяются материалы, имеющие желтый цвет, например латунь. Если цвет наносимого покрытия имеет желтый оттенок, материал образца выбирается светло- или темно-серого (стального) цвета. На участке 2 контрольного образца изменение цвета зоны 5 воздействия исследуемым потоком оценивается по сравнению с теневой зоной 6, которая не изменяет своего цвета после воздействия (см. фиг.3).
При исследовании потоков заряженных частиц, обеспечивающих ионное травление поверхностного слоя контрольного образца, для визуализации границ удаляемого поверхностного слоя на боковую поверхность образца предварительно наносится технологическое покрытие, которое отличается по цвету от материала образца. Так, например, если образец выполнен из материала, имеющего светло- и темно-серые (стальные) цвета, в качестве материала покрытия применяются материалы, имеющие желтый цвет.
Определение характеристик потоков заряженных частиц осуществляется с помощью контрольных образцов, изображенных на фиг.1-5, следующим образом.
В зависимости от типа воздействия потоком заряженных частиц на поверхность контрольного образца (нанесение покрытия или удаление поверхностного слоя) выбирается материал образца. При реализации первого варианта способа определения характеристик потоков заряженных частиц, при котором происходит нанесение покрытий на боковую поверхность образца, материал образца должен отличаться по цвету от материала наносимого покрытия.
Держатели 3 контрольных образцов устанавливаются в узлах крепления стойки, расположенной в вакуумной камере. Контрольные образцы ориентируются относительно стенок вакуумной камеры, которые используются в качестве базовой поверхности. Ориентация образцов осуществляется с помощью маркировки 4, нанесенной на их торцевую поверхность. В зависимости от формы вакуумной камеры выбирается соответствующая схема ориентации контрольных образцов. В вакуумных камерах, имеющих круглое поперечное сечение, применяется полярная схема размещения образцов (см. фиг.4). В вакуумных камерах с квадратным поперечным сечением используется осевая схема размещения образцов (см. фиг.5). Каждый контрольный образец для любой из используемых схем размещения устанавливается в вакуумной камере таким образом, чтобы одна или несколько боковых граней призматического участка 1 были обращены к потоку заряженных частиц.
После установки контрольных образцов производится откачка внутреннего объема вакуумной камеры до требуемого уровня остаточного давления, который определяется условиями работы применяемого генератора потока заряженных частиц. При включении генератора осуществляется направленное воздействие потоком заряженных частиц на боковую поверхность контрольных образцов. Воздействие проводится в течение времени, необходимого для нанесения на боковую поверхность образцов покрытия требуемой толщины. В некоторых случаях, например при исследовании потоков в процессе нанесения покрытий на движущиеся образцы, производится вращение стойки, на которой закреплены контрольные образцы.
После завершения процесса направленного воздействия потоком заряженных частиц производится отключение генератора и открытие вакуумной камеры. Контрольные образцы извлекаются из узлов крепления, при этом учитывается место их расположения и их ориентация относительно стенок вакуумной камеры. Для определения свойств и характеристик исследуемого потока проводятся комплексные измерения параметров поверхностного слоя контрольных образцов.
Первоначально осуществляется визуальный осмотр боковой поверхности каждого контрольного образца. По изменению цвета поверхности образца определяют границы зоны воздействия потока заряженных частиц. Оперативная информация о границах данной зоны может быть получена в результате сравнения цветовой окраски всех граней призматического участка 1 контрольного образца. На основании полученных сравнительных данных визуального контроля определяется угол падения плазменного потока и направления движения (вектор скорости ) заряженных частиц в исследуемом потоке.
Более детальная информация о границах зоны воздействия может быть получена с помощью цилиндрического участка 2 контрольного образца. Зона 5 воздействия исследуемым потоком определяется по изменению цвета поверхности по сравнению с теневой зоной 6, которая сохраняет свой цвет после воздействия потока (см. фиг.3). Так, например, если контрольный образец был выполнен из латуни и после воздействия на поверхности образца образовалось покрытие, имеющее темно-серый цвет, то по границе раздела зон 5 и 6 можно определить угловой сектор, в пределах которого осуществлялось воздействие заряженных частиц на поверхность образца и осаждение покрытия.
На каждой плоской грани призматического участка 1 измеряют толщину покрытия, образуемого после воздействия исследуемого потока. Измерения толщины покрытия могут проводиться по методу сферической выемки с помощью прибора "CALOTEST".
Кроме того, на каждой плоской грани участка 1 определяют элементный состав напыляемого покрытия, например, с помощью переносного рентгенофлуоресцентного спектрометра "INNOV-X2.1". На гранях участка 1 измеряют микротвердость поверхности по шкале Виккерса. Для этого может использоваться прибор "MicroMet S101" с интегрированным микроскопом и цветной цифровой камерой. Величина поверхностного потенциала материала на боковой поверхности участка 1 измеряется с помощью анализатора энергетического состояния поверхности.
На основании полученных данных о состоянии поверхностного слоя боковой поверхности контрольного образца определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик потока заряженных частиц: пространственную структуру потока, распределение заряженных частиц в потоке, направление движения заряженных частиц, интенсивность процесса массопереноса в потоке, границы зоны воздействия потока, угол падения заряженных частиц.
При осуществлении второго варианта способа определения характеристик потока заряженных частиц, который связан с реализацией процессов ионного травления, применяются контрольные образцы с предварительно нанесенным на боковую поверхность технологическим покрытием. Материал данного покрытия отличается по цвету от материала, из которого выполнен образец.
В процессе осуществления второго варианта способа контрольные образцы также устанавливаются в вакуумной камере и ориентируются относительно стенок камеры. При ионном травлении происходит удаление предварительно нанесенного на боковую поверхность контрольного образца технологического покрытия со стороны воздействия заряженных частиц. Границы удаленного покрытия определяются на основании визуального контроля и сравнения цвета граней призматического участка 1, а также зон 5 и 6 цилиндрического участка 2. По интенсивности удаления технологического покрытия определяются характеристики потока заряженных частиц и оценивают эффективность технологической операции. Одновременно с визуальным контролем удаленного покрытия проводится измерение толщины удаленного поверхностного слоя.
С помощью стандартного измерительного оборудования определяется микротвердость боковой поверхности контрольного образца и величина поверхностного потенциала материала поверхностного слоя после воздействия потоком заряженных частиц.
По полученным данным определяют, по меньшей мере, одну из следующих характеристик потока заряженных частиц: пространственную структуру потока, распределение заряженных частиц в потоке, направление движения заряженных частиц, интенсивность процесса массопереноса в потоке, границы зоны воздействия потока, угол падения заряженных частиц.
Использование контрольного образца с участком 1, выполненным в форме прямой призмы, позволяет применять стандартное оборудование для измерения параметров поверхности на каждой плоской грани боковой поверхности образца. Вследствие того, что каждая грань призматического участка расположена под определенным углом по отношению к соседним граням и имеет плоскую форму, измеренные параметры характеризуют пространственное распределение заряженных частиц в потоке, направление движения частиц и интенсивность процесса массопереноса в исследуемом потоке.
Сочетание плоской формы участков (граней) боковой поверхности контрольного образца и различной пространственной ориентации плоских участков относительно направления движения потока заряженных частиц позволяет с помощью обычных средств измерений оперативно определять параметры поверхностного слоя образца в зависимости от направления, которое определяется нормалью к плоскости выбранной грани образца. Информация о свойствах поверхностного слоя каждого плоского участка образца характеризует пространственную структуру и свойства потока заряженных частиц в определенном направлении.
Описанные выше примеры основаны на использовании для исследования потока заряженных частиц контрольных образцов, включающих в свой состав два участка: первый участок, выполненный в форме прямой призмы, предназначен для оперативного контроля параметров поверхности образца и пространственных свойств потока заряженных частиц; второй участок, выполненный в форме прямого круглого цилиндра, предназначен для получения дополнительной информации о направлении движения потока заряженных частиц. Данные примеры не исключают возможности использования контрольного образца, вся боковая поверхность которого (за исключением поверхности держателя) имеет форму прямой призмы. Количество боковых граней контрольного образца, их размеры, пространственное расположение контрольных образцов и расстояние между ними определяются для каждого конкретного случая реализации способа определения характеристик потока заряженных частиц.
Однако во всех случаях осуществления изобретений необходимо использовать контрольный образец, по крайней мере, часть которого выполнена в форме прямой призмы. При этом образец ориентируется таким образом, что, по меньшей мере, одна из его боковых граней обращена к исследуемому потоку заряженных частиц. Данные условия обеспечивают возможность оперативного контроля пространственных характеристик исследуемого потока и свойств обрабатываемых поверхностей в зависимости от направления движения заряженных частиц. За счет этого повышается информативность и оперативность контроля параметров.
Возможны варианты реализации изобретений, для которых могут не использоваться описанные выше частные случаи выполнения контрольных образцов. Например, может применяться контрольный образец без дополнительного технологического покрытия, служащего для визуализации границ зоны воздействия. В некоторых случаях реализации изобретений могут выборочно применяться отдельные средства измерений с целью определения конкретных характеристик исследуемого потока. Наряду с маркировкой, наносимой на торцевую поверхность контрольного образца, могут применяться иные средства ориентации образца относительно стенок вакуумной камеры либо относительно других базовых поверхностей.
Изобретения могут найти широкое применение при моделировании технологических процессов ионной обработки, включая напыление покрытий и ионное травление, а также при проведении исследований с целью изучения влияния потоков заряженных частиц на свойства материалов и покрытий.