Формирование ионных потоков из плазмы короткоимпульсными потенциалами смещения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ
|
Рябчиков, Игорь Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2006
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.20
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Рябчиков Игорь Александрович
Формирование ионных потоков из плазмы короткоимпульсными потенциалами смещения
01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Томск.2006 г
Работа выполнена в Томском политехническом университете
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Усов Юрий Петрович.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор
Щанин Пётр Максимович, ИСЭ СО РАН, г. Томск.
доктор технических наук, профессор Оке Ефим Михайлович, ТГУСУР, г. Томск.
Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН, г.
Екатеринбург.
Защита состоится « апреля в 15 часов на заседании диссертационного совета
Д 212 269.05 Томского политехнического университета по адресу: 634050. г. Томск, пр. Ленина. 2а. ФГНУ НИИ ЯФ
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.
Автореферат разослан « марта 2006 г.
Учёный секретарь Диссертационного совета
кандидат физико-математических наук — Кононов В.К.
Общая характеристика работы Актуальность работы
Ионные пучки и плазменные потоки находят всё более широкое применение в технологиях модификации поверхностных свойств материалов В то же время применение ионной имплантации (ИИ) для модификации свойств металлических и диэлектрических материалов ограничивается малой шлщиной модифицируемого слоя и сложностью технической реализации обработки промышленных изделий с развитой поверхностью.
Практически значимые результаты применения ионной имплантации для направленного изменения свойств материалов появились в результате развития метода плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ, или ПИ3). Для реализации ПИ3, в основном, используется плазма различных глав Хорошо развиты теоретические и численные модели, описывающие процессы у поверхности потенциального электрода, погружённого в газовую плазму. Металлическая плазма непрерывной вакуумной дуги, обеспечивающая возможность ионной имплантации многих элементов периодической системы и их композиций, к моменту начала исследований, в силу ряда причин не получила должного развития в плазменно-иммерсионном подходе. Считалось, что применение коротких по длительности импульсов для реализации плазменно-иммерсионного подхода энергетически неэффективно и, соответственно, исследований в этой области не проводилось. Возможность использования короткоимпульсных потенциалов смещения на детали, погруженные в плазму для разработки методов высокочастотной, короткоимпульсной ПИ3, обеспечивающей возможность ионной обработки как проводящих, так и диэлектрических материалов, с реализацией режимов «чистой» ИИ, высококонцентрационной ИИ и ионно-ассистированного осаждения покрытий, сделали эту задачу актуальной.
Актуальной также является задача разработки нового метода и
соответствующего оборудования для измере ого
состава плазмы, в основе которых лежит применение короткоимпульсных потенциалов смещения. Цель работы
Установление основных закономерностей процессов формирования ускоряющего зазора вблизи поверхности потенциального электрода, погруженного в поток плотной металлической плазмы и характеристик формируемого ионного потока для широкого диапазона изменения параметров плазмы (концентрации и скорости плазменного потока, зарядового и массового состава ионов) и системы извлечения ионов (длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, диэлектрических свойств мишени, геометрических параметров и др ), а также разработка новых методов ионной и плазменной обработки материалов и диагностики плазмы Научная новизна
1. Проведено моделирование магнитных полей системы ваккумно-дуговой испаритель - плазменный фильтр с целью оптимизации распределения магнитных полей Экспериментально показано, что применение дополнительной магнитной катушки обеспечивает возможность снижения тока по электродам электромагнитного плазменного фильтра жалюзийного типа в 3 раза с соответствующим снижением энергозатрат при одновременном увеличении эффективности прохождения плазменного потока через фильтр на 30%.
2 Экспериментально и численным моделированием установлены закономерности динамики изменения ускоряющего зазора и энергетического спектра ионов в зависимости от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности, частоты следования и параметров плазменного потока.
3 Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого па
поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы Показано, что использование высокой частоты следования импульсов (Гс—>1) обеспечивает не только увеличение интенсивности ионной обработки мишени, но и позволяет применять короткие по длительности (порядка десятков и сотен наносекунд) импульсы потенциала смещения без существенного снижения эффективности использования ускоряющего потенциала.
4 Предложены способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов. Экспериментально показана возможность исследования зарядового и массового состава плазмы практически любых элементов. Экспериментально исследовано влияние длительности и амплитуды импульса ускоряющего напряжения, геометрических и других парамефов сис1емы на чувстви1ельнос1ь и разрешающую способность спектрометра. Определены условия, обеспечивающие наилучшее разрешение спектрометра
5. Показана возможность использования метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов для реализации режимов ионно-ассистированного осаждения плазмы, высококонцентрационной ионной имплантации и «чистой» ионной имплантации, а также для реализации всех этапов технологического процесса ионной и плазменной обработки материалов, включая очистку, активацию поверхности, обеспечение необходимого температурного режима, формирование переходного слоя и осаждения мало дефектных покрытий с ионным ассистированием на любые материалы, включая диэлектрики.
6. На основании комплекса проведённых исследований создана установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов, включающая в себя импульсно-периодический источник ионов и плазмы «Радуга-5», 6 вакуумно-дуговых испарителей,
оснащённых модернизированными электромагнитными плазменными фильтрами, высокочастотный короткоимпульсный генератор потенциалов отрицательного смещения. Основные результаты работы, выносимые на защиту
1 Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра, позволяющая повысить эффективность транспортировки плазменного потока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза
1. Зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени.
3. Метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов.
4 Применения метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов.
5 Способ измерения спектра ионов и времяпролётш.тй плазменно-иммерсионный спектрометр ионов.
6 Установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов
Научная и практическая значимость работы
1. Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра позволила повысить эффективность транспортировки плазменного потока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза.
2. Полученные зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени вносят сущеест венный вклад в создание общей картины процессов формирования
потоков ионов в плазменно-иммерсионном подходе и позволяют сформулировать условия реализации технологических процессов модификации поверхности проводящих и диэлектрических материалов. 3 Предложенный и разработанный метод короткоимпульсной
высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов позволяет реализовать режимы ионной имплантации, высококонцентрационной ионной имплантации, а также ионно-ассистированного осаждения покрытий из плазмы как на проводящие, так и на диэлектрические мишени. 4. Предложенный и разработанный способ измерения спектра ионов и
времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов позволяет исследовать зарядовый и массовый состав плазмы практически любых материалов.
5 Созданная установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов обеспечивает реализацию широкого спектра технологических режимов модификации поверхностных свойств материалов ионной имплантацией и плазменным осаждением малодефектных покрытий. Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 5-й, 6-й и 7-й международных конференциях по модификации свойств материалов пучками заряженных частиц и плазменными потоками (Томск, Россия, 2000, 2002, 2004); международном совещании PBI12003(San Antonio, USA, 2003); международной конференции ION2004 (Kazimierz Dolny, Польша, 2004); 8-м международном совещании по плазменно-иммерсионной имплантации (Chengdu, Китай, 2005); международной конференции по ионным источникам ICIS'05 (Caen, Франция, 2005); международной конференции по модификации поверхности материалов ионными пучками SMMIB'05 (Kusadasi, Турция); международной конференции rio Физике и химии высокоэнергетических систем (Томск, Россия, 2005); международной
конференции по взаимодействию излучения с твёрдым телом (Минск, Беларусь, 2004); конференции по наноструктурам и наноматериалам (ТяикиЬа, Япония, 2005). Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 работы в научных журналах и трудах конференций (см. список публикаций в конце автореферата), в том числе 4 работ в реферируемых научных изданиях, получено 2 патента. Структура и объём
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный ооьем диссер1ации составляет 149 страниц, работа содержит 72 рисунка и одну таблицу. Список цитируемой литературы включает 136 источников. Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность исследований, ставятся цели работы, формулируются основные результаты, выносимые на защиту.
В первой главе на основе литературных данных даётся обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погружённого в плазму, способов применения плазменно-иммерсионного подхода для реализации различных режимов обработки материала. Отмечается, что процессы, протекающие в короткий промежуток времени после подачи импульса отрицательного потенциала смещения на мишень, не рассматриваются детально. Кратко рассмотрены также наиболее известные способы реализации плазменно-иммерсионного подхода с использованием плазмы газов, а также металлической плазмы вакуумной дуги. Обсуждаются известные модели, описывающие формирование и релаксацию ускоряющего промежутка и полученные результаты.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, методик проведения измерений и исследований. Описываются приборы и |г,.)11' !I' -|с]1сния шпендики п.1 полсрхносш образца, знср1 е1ическо1 о спектра ионов, поверхностных характеристик и свойств материалов и
6
покрытий Поскольку большая часть экспериментов в работе проведена с использованием плазмы вакуумной дуги, очищенной от микрокапельной фракции, одним из ключевых элементов экспериментальной установки является плазменный фильтр жалюзийного типа.
На рис. 1 представлены результаты моделирования магнитных полей в области фильтра с использованием дополнительной катушки на выходе фильтра.
Рис. I. Распределение магнитного поля в дуговом испарителе и в области фильтра при включении дополнительной катушки, расположенной на выходе фильтра
Рис. 2. Зависимость плотности ионного тока из плазмы от тока в дополнительной катушке, на расстоянии от фильтра 9 см.
Экспериментальные зависимости плотности ионного тока из плазмы от тока в дополнительной катушке для различных режимов работы плазменного фильтра представлены на рис. 2 (<рсм = 12 В).
И целом, показано, что оптимизация магнитных полей в области фильтра позволяет не только повысить прозрачность фильтра для плазмы на 30% и эффективность транспортировки плазменного потока до обрабатываемой мишени, соответственно, на 30-100%, но и снизить мощность, потребляемую системой фильтров в три раза.
В третьей главе описывается физическая модель процессов формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода В отличие от существующих моделей, рассматривается случай, когда мишень погружена в направленный поток плазмы вакуумной дуги Рассматриваются особенности процессов как для проводящих, так и для диэлектрических мишеней.
Экспериментально исследуется влияние длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, а также параметров плазмы и характеристик мишени. Характерные осциллограммы погепциала металлической мишени для различных длительностей импульса подаваемого на мишень потенциала смещения представлены на рис 3.
о
со
х
х
и
1 -500
2
с;
го
| -1000
о
С
-1500
Рис. 3. Осциллограммы потенциала металлической мишени для различных длительностей импульса
г сек
Рис. 4 демонстрирует изменение потенциала поверхности керамической (а) и стеклянной (б) мишеней в течение импульса приложенного потенциала смещения для различных концентраций плазменного потока.
Рис. 4. Осциллограммы потенциала поверхности стекла (а) и ситала (б) при различных значениях концентрации плазмы
Экспериментально показана возможность использования биполярного синусоидального потенциала смещения для реализации плазменно-иммерсионного подхода применительно к плазме вакуумно-дугового разряда для ионно-плазменной обработки металлических и диэлектрических образцов.
На рис. 5 представлены энергетические спектры двухзарядных ионов титана для импульсов потенциала смещения амплитудой 1,5 кВ с различной
длительностью, полученные с
1 б
I ,МА
использованием плазменно-
иммерсионного подхода
времяпролётным методом.
Представленные данные
демонстрируют существенное
влияние длительности
импульса потенциала
смещения на среднюю Рис. 5 Энергетический спектр
энергию ионов, двухзарядных ионов титана для '
импульсов ускоряющего напряжения В экспериментах с
амплитудой 1,5 кВ с различной _ „
аоляционнои плазмой,
длительностью
полученной распылением титановой мишени высокоинтенсивным ионным пучком с плотностью тока 300 А/см2 при энергии ионов водорода и углерода до 350 юВ и длительности импульса 90 не, показано, что применение коротких по длительности импульсов потенциала смещения на мишень позволяет значительно увеличить амплитуду потенциала смещения, по сравнению с постоянным (-60 В). При длительности импульса 3 мке ^ = 160 кГц) не наблюдались пробои при повышении потенциала смещения до -250 В Снижение длительности импульса потенциала смещения до 1 мке обеспечило возможность увеличения потенциала до -2 кВ.
В главе приводятся также результаты численного моделирования процессов, сопровождающих формирование ускоряющего промежутка Показано, что экспериментальные результаты и результаты численного моделирования хорошо согласуются
Четвёртая глава посвящена описанию концепции нового способа измерения спектра ионов и спектрометра зарядового и массового состава плазмы на его основе. Метод предусматривает совместное использование
плазменно-иммерсионного формирования ионного потока вблизи входной сетки трубы дрейфа, последующего времяпролётного разделения ионов по массам и зарядовым состояниям и дополнительной обработки полученных сигналов тока в цепи цилиндра Фарадея, установленног о на выходе трубы дрейфа. Параметры трубы дрейфа и импульса потенциала смещения выбираются таким образом, чтобы исключить торможение ионов между трубой дрейфа и цилиндром Фарадея.
5 О0Е-02
4.50Е-02
4.00Е-02
_ 3.50Е-02
* З.ООЕ-02 в
« 2.50Е-02 3
£ 2.00Е-02 а
^ 1.50Е-02 1.00Е 02 5 00Е-03 0,ЮЕ+00
1.00Е-05 1.50Е-05 2.00Е-05 2.50Е-05
«.с
Рис. 6. Осциллограммы импульсов тока для различных длительностей импульса ускоряющего напряжения
На рис. 6 представлены осциллограммы импульсов тока ионов титана
на выходе трубы дрейфа длиной 0,89 м и диаметром 0,1 м, полученные при различных длительностях импульса потенциала смещения амплитудой -0.5 кВ. Рис. 7 демонстрирует рост средней энергии двухзарядных ионов титана с увеличением длитечьности импульса для ра¡личных шачений амплитуды потенциала смещения. В целом, исследования влияния длительности импульса потенциала смещения на разрешающую способность спектроме I ра показали, что этот параметр играет существенную роль и оптимальным является значение длительности импульса, близкое, но существенно не превышающее время формирования стационарного слоя разделения зарядов для данной конкретной плазмы.
1000
1200
400 600 800
Длительность тлу/ъса, не
Рис. 7. Зависимости энергии, соответствующей максимуму пика двухзарядных ионов титана для различных значений амплитуды отрицательного потенциала смещения, от длительности импульса потенциала смещения
Наилучшие значения
полуширины пика были получены
с использованием дополнительной
процедуры. Как следует из данных
рис. 5 и 6, низкоэнергетичная
часть спектра совпадает для
осциллограмм, полученных с
использованием импульсов
смещения различной длительности.
Это означает, что динамический
процесс расширения слоя
разделения зарядов и
формирования ускоряющего зазора
для импульсов различной
1* длительности протекает одинаково
Это позволило выделить часть
спектра, относящуюся к
определённому интервалу времени
1,,мА 6
Д./ и. ^ Ьмке
ю
Рис. 8. Осциллограммы сигнала для импульсов длительностью 300 и 325 не (а) и результат вычитания этих осциллограмм (б)
определённому интервалу времени в течение импульса ускоряющего напряжения, находя разность осциллограмм, полученных при длительностях импульса, соответствующих верхней и нижней границе исследуемого временного интервала. На рис 8(а) представлены осциллограммы, полученные для титановой плазмы при использовании импульса ' ускоряющего напряжения амплитудой -2 кВ с длительностями 300 и 325 не
На рис. 8 (б) представлен результат вычитания этих осциллограмм Как видно из представленных данных, ширина пиков измеренного тока существенно снижается, результат не содержит низкоэнергетичной части спектра.
В главе рассмотрены основные факторы, влияющие на характеристики спектрометра, обсуждается степень их влияния, а также область применимости спектрометра для исследования зарядового и массового состава плазмы различных материалов
В пятой главе рассматриваются возможности применения метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов с различным коэффициентом заполнения импульсов для реализации ионного ассистирования осаждения покрытий, ионной обработки материала без осаждения покрытий с компенсацией ионного распыления осаждением плазмы и «чистой» ионной имплантации в материалы различной проводимости. Рис. 9 демонстрирует области реализации различных режимов обработки металлических мишеней с учётом коэффициента распыления материала медной мишени.
На рис 10 представлена диаграмма, характеризующая эффективность ч применения метода для обработки диэлектрических мишеней. Поверхность
определяет режим, при котором средняя энергия ускоренных ионов достигает половины произведения амплитуды ускоряющего напряжения на заряд иона. Область большей эффективности лежит под поверхностью, положение которой определяется, с одной стороны, произведением плотности ионного тока из плазмы на длительность импульса ускоряющего
П
напряжения, с другой стороны, отношением диэлектрическои проницаемости мишени к её толщине, а также амплитудой потенциала смещения.
20 30
Энергия ионов, кэв
Рис. 9. Области реализации режимов обработки материалов
Рис. 10. Область эффективности метода применительно к диэлектрическим мишеням
Рисунок показывает, что метод может быть реализован как с испоттыованием плотной плазмы, позволяющей извлекать ионный ток с шюшостью в десятки и сотни А/см2, при длительности импульса в десятки, или сотни наносекунд, так и редкая плазма, обеспечивающая ионный ток плотностью в единицы и доли миллиампер, однако при этом длительность импульса может быт без потери эффективности увеличена до десятков микросекунд
Экспериментально исследованы зависимости поверхностных свойств керамических и металлических мишеней после их обработки от амплитуды и коэффициента заполнения импульсов потенциала смещения.
На рис. 11 представлена зависимость адгезионной прочности титанового покрытия толщиной ~1 мкм на металлической и керамической мишени от амплитуды импульса потенциала смещения длительностью 2,5 мкс с частотой следования 165 кГц (Гт = 0 42).
Амплитуда потенциала смещения,В
Рис. 11. Зависимость критической силы отрыва нанесённого на металлические и керамические образцы покрытия от амплитуды потенциала смещения
Увеличение микротвёрдости поверхности керамических и
металлических образцов с ростом коэффициента заполнения импульсов потенциала смещения амплитудой -1 кВ демонстрирует рис. 12.
В главе приводятся также результаты исследования шероховатости наносимых покрытий. В целом, демонстрируется существенное улучшение поверхностных свойств материалов.
Коэффициент заполнения импульсов
Рис. 12. Увеличение микротвёрдости поверхности керамических и металлических мишеней в зависимости от коэффициента заполнения импульсов потенциала смещения
В заключении приводятся основные результаты работы. Основные результаты работы
1 Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной тазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов. Экспериментально и численным моделированием установлены закономерности динамики изменения ускоряющего зазора и энергетического спектра ионов в зависимости от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительное 1и, часюгы следования и параметров плазменного потока
^ ".,-,".1."! 1 II ЧЦ I! ичг 1С1ЧЮ продемонстрирована ВО!МО/ГИОС1Ь
г
применения короткоимпульсных потенциалов смещения для ионнои обработки диэлектрических мишеней в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы Показано, что использование высокой частоты следования импульсов (Гт—»• 1) обеспечивает не только увеличение интенсивности ионной обработки мишени, но и позволяет применять короткие по
длительности (порядка десятков и сотен наносекунд) импульсы потенциала смещения без существенного снижения эффективности использования ускоряющего потенциала. На примере титановой плазмы исследовано влияние режимов короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов на макроскопические характеристики покрытия, наносимого на диэлектриктрические и проводящие мишени. Показана возможность использования метода для реализации режимов ионно-ассистированно! о осаждения плазмы, высококонцентрационной ионной имплантации и «чистой» ионной имплантации, а также для реализации всех этапов технологического процесса ионной и плазменной обработки материалов, включая очистку, активацию поверхности, обеспечение необходимого температурного режима, формирование переходного слоя и осаждения малодефектных покрытий с ионным ассистированием.
2. Предложен способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спекгрометр ионов. Экспериментально показана возможность исследования зарядового и массового состава плазмы практически любых элементов. Экспериментально исследовано влияние длительности и амплитуды импульса ускоряющего напряжения, геометрических и других параметров системы на чувствительность и разрешающую способность спектрометра. Определены условия, обеспечивающие наилучшее разрешение спектрометра.
3 Проведено моделирование магнитных полей системы ваккумно-дуговой испаритель - плазменный фильтр с целью оптимизации распределения магнитных полей. Экспериментально показано, что применение дополнительной магнитной катушки обеспечивает возможность снижения тока по электродам электромагнитного плазменного фильтра жалюзийного типа в 3 раза с соответствующим снижением энергозатрат при одновременном увеличении эффективности прохождения плазменного потока через фильтр до 30%.
4. На основании комплекса проведённых исследований создана установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов, включающая в себя импульсно-периодический источник ионов и плазмы «Радуга-5», 6 вакуумно-дуговых испарителей, оснащённых модернизированными электромагнитными плазменными фильтрами, высокочастотный короткоимпульсный генератор с током нагрузки до 20 А в импульсе и автоматизированную систему управления параметрами технологического процесса.
Список публикаций по теме диссертации
1 И Б Степанов, С В Дектярев, А И. Рябчиков, И.А. Рябчиков, Д.О. Сивин, И.Л. Шулепов, "Комплексное оборудование для исследования покрытий и модифицированных слоёв материалов, сформированных на основе методов ионно-лучевого и ионно-плазменного воздействия", Proc of the 0 Jmei national Conjetence on Modijication oj Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2002), 649-653.
2 A I. Ryabchikov, I A Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Recent advances in surface processing with filtered DC vacuum-arc plasma", J Vacuum 78 (2005), 445449
3 Л I Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Development of filtered DC metal plasma ion implantation and coating deposition methods based on high fiequency short-pulsed bias voltage application", J Vacuum 78 (2005), 331336.
4. А.И. Рябчиков, И.А. Рябчиков, И.Б. Степанов, "Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий", патент RU №2238999, приоритет от 19.02.2003, БИ №30 (2004).
5 A.I. Ryabchikov, I A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "High-frequency short pulsed metal plasma immersion ion implantation using filtered DC vacuum arc plasma (part I)", Proc of the 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2004), 134-137.
6. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, IB Stepanov, "High-frequency short pulsed metal plasma immersion ion implantation using filtered DC vacuum aic plasma (part II)", Proc of the 7ih International Conference on Modification oj Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2004), 138-141
7. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I B. Stepanov, "Experimental Investigation Of Repetitively-Pulsed And Plasma Material Treatment Using A Dc Vacuum Arc", Books of Abstracts of the International Wotkshop on Plasma Based Ion Implantation, San Antonio, USA (2003), 75
8. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I В Stepanov, "Numerical Simulations Ot Coating Deposition Processes And High Frequency Plasma Immersion Ion Treatment Of Materials Using A Dc Vacuum Arc", Books of Abstracts of the Internationa/ Workshop on Plasma Based Inn Implantation,San Antonio i S4
(2003), 76.
9. И.А. Рябчиков, Ю.П. Усов, "Метод высокочастотной короткоимпульснои плазменно-иммерсионной ионной имплантации", Сборник материалов ! Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и .химия высокоэнергетических систем», Точек (2005), 333-335
10.1. A.Ryabchikov, I.B Stepanov, "Development of Plasma-Immersion Ion Implantation and Coating Deposition Methods Based on High Frequency Short-Pulsed Bias Voltage Application", Proceedings of the JO1'1 International Symposium on Advanced Physical Fields, Tsvkuba, Japan (2005), 165-172.
11 A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B Stepanov, "High Frequency Short-Pulsed Plasma-Immersion Ion Implantation and Deposition", Book oj Abstracts of the 14th International Conference on Surface Modification of Matenah by Jon Beams, Kusadasi, Turkey (2005), 72
12.A.I. Ryabchikov, I.A Ryabchikov, I В Stepanov, A A Sinebryukhnv, S V Dektyarev, "High-Current Vacuum Arc Ion source for Ion Implantation and Coating Deposition Technologies", Books of Abstracts of the 1 l'h Internationa! Conference on Ion Sources, Caen, France (2005), 200
13.A I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Pulsed plasma-immersion surface processing", Proceedings of V-th International Conference "Ion Implantation and Other Applications of lorn and Electrons" Poland, Kazimierz Dolny (2004), 235.
14.A.I Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, YUP. Usov, "High-Frequency Short-Pulsed Metal Plasma-Immersion Ion Implantation Using Filtered DC Vacuum-Arc Plasma", Book of Abstracts of the 8'h International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation and Deposition Chengdu, China, (2005), 36.
15 А.И. Рябчиков, И.А. Рябчиков, "Экспериментальное исследование импульсно-периодической ионной и плазменной обработки различных материалов с использованием непрерывной вакуумной дуги", Proc of the 6th Internationa! Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2002), 571-577.
16.A.J. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, A.A. Sinebryukhov, "Plasma Immersion Ion Charge State and Mass Spectrometer", Rev Sci. Instrum 11 (2006).
17.A.I Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, YU.P. Usov, "New approaches to Plasma Diagnostics", Book of Abstracts of the 8,h International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation and Deposition Chengdu, China (2005), 36.
18 A.I Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, A.A. Sinebryukhov, "Plasma
Immersion Ion Charge State and Mass Spectrometer", Books of Abstracts of the ll'h International Conference on Ion Sources, Caen, France (2005), 205
19 А И. Рябчиков, И А. Рябчиков, "Моделирование процессов нанесения покрытий и высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной обработки материалов с использованием непрерывной вакуумной дуги", Proc of the 6,h International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2002), 578-582.
20. А.И. Рябчиков, И.А. Рябчиков, И.Б. Степанов, "Способ измерения спектра ионов и времяпролётный спектрометр ионов", патент RU №2266587, приоритет от 23 июля 2004, БИ 20 декабря 2005, №35.
21. A I. Ryabchikov, I A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, А.А. Sinebryukhov, S.V Dektyarev, "High-Current Vacuum Arc Ion source for Ion Implantation and Coating Deposition Technologies", Rev. Sci Imlrum 77 (2006).
22. A.I. Ryabchikov, I.B. Stepanov, S.V. Dektyarev, I.A. Shulepov, E.I. Lukonin, "Technological Possibilities of "Raduga-5" DC Vacuum Arc Source of Accelerated Ions and Plasma", Proceedings of the 5th Conference от Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск (2000), 489-493.
Подписано к печати 21 03 06 Формат 60x84/16. Бумага "Классика" Печать RISO. Усл.печл. 2,27 Уч-изд л. 2,05. Заказ 412. Тираж 100 экз.
ИЗАЛТЕАЬСТВОУТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
¿looG ft GO04
1-6004
ОГЛАВЛЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИОННЫХ ПОТОКОВ ИЗ ПЛАЗМЫ В УСЛОВИЯХ ЭРОЗИИ ЭМИССИОНОЙ ГРАНИЦЫ.
1.1. Исследования по формированию сильноточных пучков заряженных частиц в плазмонаполненных системах.
1.2. Плазменно-иммерсионная имплантация.
1.3. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и осаждение покрытий с использованием плазмы вакуумной дуги.
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. Установка для проведения исследований.
2.2. Импульсно-периодический источник ионных пучков и плазмы «Радуга 5» на основе непрерывной вакуумной дуги.
2.3. Электромагнитный плазменный фильтр для очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции.
2.4. Диагностика параметров ионного пучка и плазмы.
2.5. Оборудование для исследования свойств материалов и покрытий.
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ КОРОТКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ К ОБРАЗЦАМ, ПОГРУЖЁННЫМ В ПОТОК ПЛАЗМЫ.
3.1. Физическая модель.
3.2. Проводящие мишени.
3.3. Диэлектрические мишени.
3.4. Использование биполярных импульсов смещения.
3.5. Экспериментальное исследование энергетических спектров потоков ионов, формирующихся в плазмонаполненной системе при короткоимпульсиых потенциалах смещения.
3.6. Применение короткоимпульсиых потенциалов смещения для случая абляционной плазмы.
3.7. Численное моделирование процессов.
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРОТКОИМПУЛЬСИЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ СМЕЩЕНИЯ В ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОМ ПОДХОДЕ.
4.1. Концепция плазменно-иммерсионного времяпролётиого спектрометра зарядового и массового состава плазмы.
4.2. Исследование влияния амплитуды импульса потенциала смещения па энергетический спектр ионов.
4.3. Исследование влияния длительности импульса потенциала смещения на энергетический спектр ионов.
4.4. Исследование возможности улучшения характеристик плазменно-иммерсионного времяпролётиого спектрометра.
4.5. Анализ влияния различных факторов на разрешающую способность плазмепио-иммерсионного времяпролётиого спектрометра.
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРОТКОИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
ИОНОВ (ВКПИИИ) И (ИЛИ) ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.
5.1. Метод высокочастотной короткоимпульспой плазменно-иммерсионной имплантации ионов и (или) осаждения покрытий.
5.2. Режимы ВКПИИИ и области применимости.
5.3. Исследования закономерностей изменения поверхностных свойств материалов при различных режимах ионной и плазменной обработки.
Ионные пучки и плазменные потоки находят всё более широкое приме
• нение в технологиях модификации поверхностных свойств материалов. Так, например, ионная имплантация (ИИ) в промышленных масштабах используется для управляемого изменения свойств полупроводников. В то же время применение ионной имплантации для модификации свойств металлических и диэлектрических материалов ограничивается малой толщиной модифицируемого слоя и сложностью технической реализации обработки промышленных изделий с развитой поверхностью.
Практически значимые результаты применения ионной имплантации для ^ направленного изменения свойств материалов появились в результате развития метода плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ, или ПИ3) [1]. Сущность метода заключается в погружении изделия в плазму, подаче на него отрицательного потенциала смещения, ускорении ионов из плазмы и их имплантации в поверхность твёрдого тела. Преимущества метода ПИ3 по сравнег нию с обычной ИИ обусловлены, прежде всего, простотой реализации технологического процесса и возможностью почти равномерной ионной обработки деталей сложных форм, в том числе и внутренних поверхностей протяжённых отверстий. Для реализации ПИ3, в основном, используется плазма различных га-Ш зов. Металлическая плазма непрерывной вакуумной дуги, обеспечивающая возможность ионной имплантации многих элементов периодической системы и их композиций, в силу ряда причин пока не получила должного развития в плазменно-иммерсионном подходе. Ограничения связаны, как с наличием в плазме вакуумной дуги значительного количества микрокапель, существенно снижающих эффективность ионной имплантации, так и с ростом покрытий, обусловленным взаимодействием металлической плазмы с поверхностью мишени в промежутках между импульсами потенциала смещения. щ Применение длинных импульсов значительных по амплитуде потенциа
1 лов смещения на образцы, погружённые в плазму, сопровождается уходом эмиссионной границы на значительные расстояния, что нивелирует эффект трёхмерной обработки изделий в режиме ПИИИ.
Использование относительно коротких по длительности импульсов потенциалов смещения (0,1-И0 мкс) на образцы, погружённые в поток плазмы вакуумной дуги, при условии варьирования коэффициента заполнения импульса в широких пределах (0,1-Ю,99) может при определённых условиях обеспечить реализацию режимов имплантации ионов металлов, сплавов, ионную имплантацию с компенсацией распыления поверхности осаждением плазмы и ионно-ассистированное осаждение металлической плазмы.
Исследование процессов формирования ионных потоков из плазмы ко-роткоимпульсными потенциалами смещения, энергетического спектра ускоренных ионов и динамики формирования ускоряющего промежутка у поверхности диэлектрических и проводящих мишеней, погружённых в поток плотной металлической плазмы, представляет интерес для многих прикладных задач. К этим задачам относится, например, нанесение вакуумно-дуговым методом ал-мазоподобных покрытий, где необходимо обеспечить энергию ионов в несколько сотен электронвольт, сохраняя при этом диэлектрические свойства осаждаемого алмазоподобного покрытия. Актуальной также является задача разработки достаточно простого метода ионной и плазменной обработки диэлектриков, не требующего применения ионных имплантеров и сложных систем перемещения мишеней с развитой поверхностью.
Таким образом, численное и экспериментальное исследование закономерностей формирования ионных потоков короткоимпульсными потенциалами смещения в плазменно-иммерсионном подходе, изучение динамики изменения энергетического спектра ионов, разработка и исследование методов коротко-импульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной имплантации и (или) осаждения покрытий на основе вакуумно-дугового разряда и методов измерения зарядового и массового состава ионов в плазменно-иммерсионном подходе, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в установлении основных закономерностей процессов формирования ускоряющего зазора вблизи поверхности потенциального электрода, погружённого в поток плотной металлической плазмы и характеристик формируемого ионного потока для широкого диапазона изменения параметров плазмы (концентрации и скорости плазменного потока, зарядового и массового состава ионов) и системы извлечения ионов (длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, диэлектрических свойств мишени, геометрических параметров и др.), а также в разработке новых методов ионной и плазменной обработки материалов и диагностики плазмы.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение комплекса численных и экспериментальных исследований, к основным из которых можно отнести следующие:
1. Численные и экспериментальные исследования эффективности плазменного фильтра жалюзийной конструкции и возможностей оптимизации его параметров.
2. Численные и экспериментальные исследования динамики формирования ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погружённого в поток плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда, динамики изменения потенциала смещения на поверхности мишени.
3. Численные и экспериментальные времяпролётные исследования динамики изменения энергетического спектра ионов, ускоряемых в плазменно-иммерсионном подходе из плазмы вакуумной дуги.
Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Проведено моделирование магнитных полей системы ваккумно-дуговой испаритель - плазменный фильтр с целью оптимизации распределения магнитных полей. Экспериментально показано, что применение дополнительной магнитной катушки обеспечивает возможность снижения тока по электродам электромагнитного плазменного фильтра жалюзийного типа в 3 раза с соответствующим снижением энергозатрат при одновременном увеличении эффективности прохождения плазменного потока через фильтр на 30%. Экспериментально и численным моделированием установлены закономерности динамики изменения ускоряющего зазора и энергетического спектра ионов в зависимости от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности, частоты следования и параметров плазменного потока.
Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Показано, что использование высокой частоты следования импульсов (fx—>1) обеспечивает не только увеличение интенсивности ионной обработки мишени, но и позволяет применять короткие по длительности (порядка десятков и сотен наносекунд) импульсы потенциала смещения без существенного снижения эффективности использования ускоряющего потенциала.
Предложены способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов. Экспериментально показана возможность исследования зарядового и массового состава плазмы практически любых элементов. Экспериментально исследовано влияние длительности и амплитуды импульса ускоряющего напряжения, геометрических и других параметров системы на чувствительность и разрешающую способность спектрометра. Определены условия, обеспечивающие наилучшее разрешение спектрометра.
5. Показана возможность использования метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов для реализации режимов ионно-ассистированного осаждения плазмы, высококонцентрационной ионной имплантации и «чистой» ионной имплантации, а также для реализации всех этапов технологического процесса ионной и плазменной обработки материалов, включая очистку, активацию поверхности, обеспечение необходимого температурного режима, формирование переходного слоя и осаждения малодефектных покрытий с ионным ассистированием на любые материалы, включая диэлектрики.
6. На основании комплекса проведённых исследований создана установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов, включающая в себя импульсно-периодический источник ионов и плазмы «Радуга-5», 6 вакуумно-дуговых испарителей, оснащённых модернизированными электромагнитными плазменными фильтрами, высокочастотный короткоимпульсный генератор потенциалов отрицательного смещения.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
1. Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра, позволяющая повысить эффективность транспортировки плазменного потока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза.
2. Зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени.
3. Метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов.
4. Применения метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлек трических материалов.
5. Способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов.
6. Установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов.
Научная и практическая значимость работы:
1. Оптимизация конструкции электромагнитного плазменного фильтра позволила повысить эффективность транспортировки плазменного по тока на 30% при снижении потребляемой мощности в 3 раза.
2. Полученные зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени вносят сущеествен-ный вклад в создание общей картины процессов формирования потоков ионов в плазменно-иммерсионном подходе и позволяют сформулировать условия реализации технологических процессов модификации поверхности проводящих и диэлектрических материалов.
3. Предложенный и разработанный метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов позволяет реализовать режимы ионной имплантации, высококонцентрационной ионной имплантации, а также ионно-ассистированного осаждения покрытий из плазмы как на проводящие так и на диэлектрические мишени.
4. Предложенный и разработанный способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов позво ляет исследовать зарядовый и массовый состав плазмы практически любых материалов.
5. Созданная установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов обеспечивает реализацию широкого спектра технологических режимов модификации поверхностных свойств материалов ионной имплантацией и плазменным осаждением малодефектных покрытий.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 149 страниц, работа содержит 72 рисунка и одну таблицу. Список цитируемой литературы включает 136 источников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию новых методов ионной и плазменной обработки материалов и диагностики плазмы, основанных на применении коротких по длительности импульсов отрицательного потенциала смещения на проводящие и диэлектрические системы, погружённые в плазму.
При этом получены следующие результаты:
1. Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов. Экспериментально и численным моделированием установлены закономерности динамики изменения ускоряющего зазора и энергетического спектра ионов в зависимости от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности, частоты следования и параметров плазменного потока. Экспериментально и численно продемонстрирована возможность применения короткоимпульсных потенциалов смещения для ионной обработки диэлектрических мишеней в уело-виях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Показано, что использование высокой частоты следования импульсов (fx—>1) обеспечивает не только увеличение интенсивности ионной обработки мишени, но и позволяет применять короткие по длительности (порядка десятков и сотен наносекунд) импульсы потенциала смещения без существенного снижения эффективности использования ускоряющего потенциала. На примере титановой плазмы исследовано влияние режимов короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки материалов на макроскопические характеристики покрытия, наносимого на диэлектриктрические и проводящие мишени. Показана возможность использования метода для реализации режимов ионно-ассистированного осаждения плазмы, высококонцентрационной ионной имплантации и «чистой» ионной имплантации, а также для реализации всех этапов технологического процесса ионной и плазменной обработки материалов, включая очистку, активацию поверхности, обеспечение необходимого температурного режима, формирование переходного слоя и осаждения малодефектных покрытий с ионным ассистированием.
2. Предложен способ измерения спектра ионов и времяпролётный плазменно-иммерсионный спектрометр ионов. Экспериментально показана возможность исследования зарядового и массового состава плазмы практически любых элементов. Экспериментально исследовано влияние длительности и амплитуды импульса ускоряющего напряжения, геометрических и других параметров системы на чувствительность и разрешающую способность спектрометра. Определены условия, обеспечивающие наилучшее разрешение спектрометра.
3. Проведено моделирование магнитных полей системы ваккумно-дуговой испаритель - плазменный фильтр с целью оптимизации распределения магнитных полей. Экспериментально показано, что применение дополнительной магнитной катушки обеспечивает возможность снижения тока по электродам электромагнитного плазменного фильтра жалюзийного типа в 3 раза с соответствующим снижением энергозатрат при одновременном увеличении эффективности прохождения плазменного потока через фильтр до 30%.
4. На основании комплекса проведённых исследований создана установка нового поколения для ионно-лучевой и плазменной обработки материалов, включающая в себя импульсно-периодический источник ионов и плазмы «Радуга-5», 6 вакуумно-дуговых испарителей, оснащённых модернизированными электромагнитными плаз> менными фильтрами, высокочастотный короткоимпульсный генератор с током нагрузки до 20 А в импульсе и автоматизированную систему управления параметрами технологического процесса. Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением результатов экспериментов и численного моделирования, а также сравнением с результатами других исследователей, как в нашей стране, так и за рубежом, практической реа-^ лизацией научных положений и выводов при создании и модернизации устройств и установок. Предложенные методы и новые устройства, созданные в результате исследований, выполненных в рамках настоящей работы, используются в настоящее время для проведения физических экспериментов и отработки технологических процессов ионной и плазменной модификации металлов и диэлектриков с целью улучшения их эксплуатационных свойств в ФГНУ НИИ Ядерной Физики. Результаты проведённых исследований применялись для улучшения характеристик покрытий. Личный вклад автора состоит в разработке численной модели расчета динамики формирования ускоряюще-Ш го промежутка, проведении комплекса модельных исследований, создании экспериментальной установки, выбора методик эксперимента, проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по результатам исследований. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов осуществлялось совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.
В заключение автор искренне благодарит Ю.П. Усова, под руководством которого была выполнена данная работа. Автор благодарит сотрудников лаборатории Степанова И.Б., Дектярёва С.В., Луконина Е.И., Сивина Д.О., Синеб-рюхова А.А, Шулепова И.А. за полезные обсуждения и помощь в работе.
1. A. Anders, Handbook of plasma immersion ion implantation and deposition, (U.S.: John Wiley & Sons, 2000).
2. И.С. Абрамов, Ю.А. Быстров, В.Г. Вильдгрубе, "Плазменные ускорители и их применение в технологии", Обзоры по электронной технике. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы, (М.: ЦНИИ Электроника. -1986) В. 3.
3. I.G. Brown In: The Physics and Technology of Ion Sources, edited by I.G.Brown (New York: Wiley & Sons, 1989), p. 331.
4. M.A. Завьялов, Ю.Е. Крейндель, А.А. Новиков и др., "Плазменные процессы в технологических электронных пушках", (М.: Энергоатомиздат, 1989), 256 с.
5. В.М. Быстрицкий, А.Н. Диденко, Мощные ионные пучки (М.: Энергоатомиздат, 1984), 152 с.
6. N.V. Gavrilov, G.A. Mesyats, G.V. Radkovskii and V.V. Bersenev, "Development of technological sources of gas ions on the basis of hollow-cathode glow discharges", Surf Coat. Technol. 96 (1997), 81-88.
7. E.M. Oks, "Development of vacuum arc ion sources for heavy ion accelerator injectors and ion implantation technology", Rev. Sci. Instrum. 67 (1996), 12131215.
8. А.И. Рябчиков, С.В. Дектярев, И.Б. Степанов, "Источники "Радуга" и методы импульсно-периодической ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов", Известия ВУЗов. Физика № 4 (1998), 193-207.
9. Г.А. Месяц, Эктоны, (Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993), 184 с.
10. А.Н. Диденко, В.П. Григорьев, Ю.П. Усов, Мощные электронные пучки и их применение, (Москва: Атомиздат, 1977), 94.
11. Е.И. Логачёв, Г.Е. Ремнёв, Ю.П. Усов, "Ускорение ионов из взрывоэмис-сионной плазмы", Письма в ЖТФ, 6 в. 22 (1980), 1401.
12. А.И. Рябчиков, A.B. Петров, H.M. Полковникова, В.Г. Толмачёва, И.A. Шулепов, "Эрозия и модификация поверхности нержавеющей стали под действием мощных ионных пучков", Труды 3 Меэ/сд. Конф. по Рад. Физ. Те. Тела, 2 (1999), 90-93.
13. T.J. Renk, P.P. Provencio, S.V. Prasad, A.S. Shlapakovsky, A.V. Petrov and others, "Material modification using intense ion beams", Proc. of the IEEE, V 92, 7(2004), 1057-1077.
14. A.H. Диденко, C.H. Волков, Я.Е. Красик, А.И. Рябчиков, "Исследование режимов генерации МИП с использованием предимпульса ускорителя", ЖТФ В. 4 т.54 (1984), 816-819.
15. A.N. Bastrikov, A.A. Zherlitsyn, В.М. Kovalchuk, S.V. Loginov, V.P. Yakov-lev, "GIT-4 Experiments with Plasma Opening Switch", Proc. of the 12th Symp. On High Current Elect., Tomsk, Russia (2002), 360-362.
16. N.U. Barinov, G.I. Dolgachev, D.D. Maslennikov, "Plasma opening switch with isolation by extrinsic magnetic field", Proc. of the 12th Symp. On High Current Elect., Tomsk, Russia (2002), 274-276.
17. R.J. Adler, S.T. Picraux, "Repeatitively pulsed metal ion beams for ion implantation", Nucl. lustrum. Methods Phys. Res. В 6 (1985), 151-157.
18. A.C. 1412517 СССР. Способ ионной имплантации. Н.А.Арзубов, В.А.Ваулин, А.И.Рябчиков и др. Приоритет от 26.03.86., БИ 1990, № 33.
19. Н.М. Арзубов, Г.П. Исаев, А.И. Рябчиков, «Вакуумно-дуговой частотно-импульсный источник ионов», VI Всесоюз. симп. по сильноточной электропике. Тез. Докл., Томск (1986), 184-186.
20. Н.М. Арзубов, Г.П. Исаев, А.И. Рябчиков, "Использование вакуумно-дугового частотно-импульсного ускорителя ионов в технологии", Всесоюз. конф. по плазменным ускорителям и ионным инэ/секторам. Тез. докл. Днепропетровск (1986), 224-245.
21. J.R. Conrad, "Method and apparatus for plasma source ion implantation", U.S. patent 4,764,394, Wisconsin Alumni Research Foundation, Madicon, WI, 1988.
22. J.R. Conrad, R.A. Dodd, F.J. Worzala, X. Qiu, Surf. Coat. Technol 36, 927 (1988).
23. M.A. Lieberman, "Model of plasma immersion ion implantation", J. Appl. Phys. 66 (1989), 2926-2929.
24. J.T. Scheuer, M. Shamim, J.R. Conrad, "Model of plasma source ion implantation in planar, cylindrical and spherical geometries", J. Appl. Phys. 67 (1990), 1241-1245.
25. J. Conrad, "Sheath thickness and potential profiles of ion-matrix sheaths for cylindrical and spherical electrodes", J. Appl. Phys. 62, (1987), 777-779.
26. R. Giinzel, J. Brutscher, S. Mandl, W. Moller, Surf Coat. Technol. 96, 16 (1997).31 .K.-U. Riemann, "The Bohm criterion and sheath formation", J. Phys. D: Appl. Phys. 24(1991)493-518.
27. R.A. Stewart, M.A. Lieberman, "Model of plasma immersion ion implantation for voltage pulses with finite rise and fall times", J. Appl. Phys. 70 (1991), 3481-3487.
28. H.E. Holt, R.E. Haskell, Plasma Dynamics, (New York: Macmillan, 1965).
29. N.A. Krall, A.W. Trivelpiece, Principles of plasma physics, (New York: McGraw-Hill, 1973).
30. V. Vahedi, M.A. Lieberman, M.V. Alves et. al., "A one-dimensional collisional model for plasma-immersion ion implantation", J. Appl. Phys. 69 (1991), 20082014.
31. B.P. Wood, "Displacement current and multiple pulse effects in plasma source ion implantation", J. Appl. Phys. 73 (1993), 4770-4778.
32. M. Shamim, J.T. Scheuer, R.P. Fetherston, J.R. Conrad, "Measurement of electron emission due to energetic ion bombardment in Plasma Source Ion Implantation", J. Appl. Phys. 70 (1991), 4756-4759.
33. S. Qin, C. Chan, Z.J. Jin, "Plasma immersion ion implantation model including multiple charge state", J. Appl. Phys. 79 (1996), 3432-3437.
34. J.N. Matossian, J.D. Williams, "Confinement of secondary electrons in plasma ions processing", U.S. patent 5,498,290, Hughes Aircraft Company, Los Angeles, CA, 1996.
35. D.J. Rej, B.P. Wood, R.J. Faehl, H.H. Fleischmann, "Magnetic insulation of secondary electrons in plasma source ion implantation", J. Vac. Sci. Technol. В 12(1994), 861-866.
36. Т.Е. Sheridan, "Ion-matrix sheath in a cylindrical bore", J. Appl. Phys. 74 (1993), 4903-4906.
37. А.И. Рябчиков, "Импульсно-периодические многофункциональные источники ионов на основе вакуумной дуги и нетрадиционные методы ионно-лучевой, ионно-плазменной обработки материалов", Дисс. док. физ.-мат. Наук, Томск (1994), 257 с.
38. Е.Н. Lee, G.R. Rao, M.B. Lewis, L.K. Mansur, "Ion Beam Application for improve polymer surface properties", Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. В 741993), 326-330.
39. L. Calcagno, G. Campagnini, G. Foti, "Structural modification of polymer filmsby ion irradiation", Nucl Instrum. Methods Phys. Res. В 65 (1992), 413-422.
40. G.A. Emmert, "Model for expanding sheaths and surface charging at dielectric surfaces during plasma source ion implantation", J. Vac. Sci. Technol. В 121994), 880-883.
41. B.P. Linder, N.W. Cheung, "Plasma immersion ion implantation with dielectric substrates", IEEE Trans. Plasma Sci. 24 (1996), 1383-1388.
42. J.N. Matossian, R.W. Shumacher, D.M. Pepper, "Surface potential control in plasma processing of materials", U.S. patent 5,374,456, Hughes Aircraft Company, Los Angeles, CA, 1994.
43. J.N. Matossian, R. Wei, "Operating characteristic of a 100 kV, 100 kW plasma ion implantation facility", Surf. Coat. Technol. 85 (1996), 92-97.
44. R.W. Shumacher, J.N. Matossian,, D.M. Goebel, "High impedance plasma ion implantation apparatus", U.S. patent 5,607,509, Hudges Electronics, Los Angeles, С A, 1997.
45. F.M. Penning, "Coating by cathode disintegration", U.S. patent 2,146,025, N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, The Netherlands, 1939.• 51.A.G. Nikolaev, G.Y. Yushkov, E.M. Oks, R.A. McGill, M.R. Dickinson, I.G.
46. Brown, "Vacuum arc trigger based on ExB discharges", Rev. Sci. Instrum. 67 (1996), 3095-3098.
47. B.P. Wood, I. Henins, R.J. Gribble, W.A. Reass, R.J. Faehl, M.A. Nastasi, D.J. Rej, "Initial operation of a large-scale plasma source ion implantation experiment", J. Vac. Sci. Technol. В 12 (1994), 870-874.
48. V.A. Godyak, R.B. Piejak, "Abnormally low electron energy and heating-mode transition in a low-pressure argon RF discharge at 13.56 MHz", Phys. Rev. Lett.ш 65 (1990), 996-999.
49. M.V. Alves, M.A. Lieberman, V. Vahedi, C.K. Birdsall, "Sheath voltage ratio for asymmetric RF discharges", J. Appl. Phys. 69 (1991), 3823-3829.
50. M.A. Lieberman, "Analytical solution for capacitive RF sheath", IEEE Trans.
51. Plasma Sci. 16 (1988), 638-644.
52. M.A. Lieberman, "Dynamics of collisional, capacitive RF sheath", IEEE Trans. Plasma Sci. 17 (1989), 338-341.
53. J.S. Ogle, "Method and apparatus for producing magnetically-coupled planar plasma", U.S. patent 4,948,458, LAM Research corporation, Fremont, CA, 1990.
54. Y.X. Wu, M.A. Liebermann, "A traveling wave-driven, inductively coupled large area plasma source", Appl Phys. Lett. 72 (1998), 777-779.
55. C.M. Ferreira, M. Moisan, Z. Zakrzewski, "Physical principles of microwave plasma generation", in Microwave Excited Plasmas, M. Moisan and J. Pelletier, Eds. (Amsterdam: Elsevier, 1992), 181-212.
56. M. Moisan, Z. Zakrzewski, "Surface-wave plasma sources", in Microwave Excited Plasmas, M. Moisan and J. Pelletier, Eds. (Amsterdam: Elsevier, 1992),• 123-180.
57. J. Marec, P. Leprince, "Microwave discharges: structures and stability", in Microwave discharges: Fundamentals and Applications, C.M. Ferrera and M. Moisan, Eds. (New York: Plenum, 1993), 34-63.
58. L.G. Vintizenko, N.N. Koval, V.S. Tolkachev, P.M. Schanin, "Elongated Arc Plasma Generator", Proc. of the 5th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Proc. (2000), 578-582.
59. D. Wolf, Handbook of Ion Sources, (Boca Raton, FL: CRC press, 1995).
60. H.R. Kaufman, R.S. Robinson, R.I. Seddon, "End-hall ion source", J. Vac. Sci. Technol. A 5 (1987), 2081-2084.
61. S.-H. Lin, B.J. Feldman, D. Li, Appl. Phys. Lett. 69 (1996), 2373.
62. K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology: Properties, Techniques and Applications in Surface Engeneering, (Amsterdam: Elsevier, 1994), 53.
63. K.C. Walter, M. Nastasi, N.P. Baker et al., Surf Coat. Technol. 103-104 (1998), 205.
64. C. Кузьмин, A.E. Лигачёв, H.B. Пирогов, Г.В. Потёмкин, А.И. Рябчиков, "Установка ионной имплантации на 50 кэВ для упрочнения металлоизделий", Изв. ВУЗов, Физика, 8 (1987), 94-96.
65. A. Anders, "Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review",^/ Coat. Technol. 93 (1997), 157-167.
66. M. Nahenow, Ion Implantation: Equipment and Techniques, Springer Series in Electrophysics, Vol. 11, H Ryssel and H. Glavischnig, Eds. (Berlin: Springer-Verlag, 1983), 31.
67. М.Д. Габович, Физика и технология плазменных ионных источников (Москва: Атомиздат, 1972).
68. Т. Sheng, S.B. Felch, С.В. Cooper, J. Vac. Sci. Technol. B12, 969 (1994).
69. J.B. Liu, S.S. Iyer, R. Gronsky, C. Hu, N.W. Cheung, Appl Phys. Lett. 67, 2361 (1995).
70. А.И. Рябчиков, Е.И. Луконин, Д.А. Карпов, "Импульсно-периодические методы формирования ионно-плазменных потоков и их технологическое применение", IX Симпозиум по сильноточной электронике, Тез. Докл. Екатеринбург Т. 3. (1992), 86-88.
71. A.I. Ryabchikov, R.A. Nasyrov, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res.B61, 48 (1991).
72. I.G. Brown, A. Anders, M.R. Dickinson, R.A. MacGill, O.R. Monteiro, Surf. Coat. Technol. 112,271 (1999).
73. T.Zhang, B.Y. Tang, Z.M. Zeng et al, Surf. Coat. Technol. 128-129, 231 (2000).
74. A.I. Ryabchikov, Surf. Coat. Technol.96, 9 (1997).
75. И.И. Аксенов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших, "Транспортировка плазменных потоков в криволинейной плазмооптической системе", Физика плазмы т.4 вып. 4 (1978), 758 763.
76. М. Keidar, I.I. Beilis, R. Aharonov, D. Arbilly, R.L. Boxman, S. Goldsmith, "Macroparticle distribution in a quarter-torus plasma duct of a filtered vacuum arc deposition system", J.Phys. D: Appl. Phys. № 30 (1997), 2972-2978.
77. I.G. Brown, "Metal vapor vacuum arc ion sources", Rev. Sci. Instrum. v. 63 № 4 (1992), 2351 -2356.
78. A.I. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Investigations of forming metal-plasma flows filtered from micropaticle fraction in vacuum-arc evaporators", Rev. Sci. Instrum. v. 69(1998), 893.
79. А.И. Рябчиков, И.Б. Степанов, "Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты)" Патент России RU 2097868 С1.- 1998.
80. I.G. Brown, X. Godechot, K.M. Yu, Appl. Phys. Lett. 58 (1991), 1392.
81. Д.П. Борисов, H.H. Коваль, П.М. Щанин, "Генерация объёмной плазмы дуговым разрядом с накаливаемым катодом", Изв. Вузов. Физика, 3 (1994), 115-120.
82. Plasma Flows, Томск (2002), 649-653.
83. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Recent advances in surface processing with filtered DC vacuum-arc plasma", J. Vacuum 78 (2005), 445449.
84. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Development of filtered DC metal plasma ion implantation and coating deposition methods based on high frequency short-pulsed bias voltage application", J. Vacuum 78 (2005), 331336.
85. М. Sano, К. Yukimura, Т. Maruyama et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. В 148 (1999), 37.
86. Weidong Yu, Lifang Xia, Yue Sun et al., Surf. Coat. Technol 240 (2000), 128129.
87. Z.M. Zeng, T. Zhang, B.Y. Tang, X.B. Tian, P.K. Chu, Surf. Coat. Technol. 115(1999), 234.
88. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Experimental Investigation Of Repetitively-Pulsed And Plasma Material Treatment Using A Dc Vacuum Arc", International Workshop on Plasma Based Ion Implantation, San Antonio, USA (2003).
89. И.А. Рябчиков, Ю.П. Усов, "Метод высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации", Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск (2005), 333-335.
90. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "Pulsed plasma-immersion surface processing", Proceedings of V-th International Conference "Ion Implantation and Other Applications of Ions and Electrons" Poland, Kazimierz Dolny (2004), 235.
91. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, YU.P. Usov, "High-Frequency Short-Pulsed Metal Plasma-Immersion Ion Implantation Using Filtered DC Vacuum-Arc Plasma", J. Vacuum в печати.
92. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, A.A. Sinebryukhov, "Plasma Immersion Ion Charge State and Mass Spectrometer", Rev. Sci. Instrum. 77 (2006).
93. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, YU.P. Usov, "New approaches to Plasma Diagnostics", Book ofAbstracts of the 8th International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation and Deposition. Chengdu, China (2005).
94. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, YU.P. Usov, "New approaches to Plasma Diagnostics", J. Vacuum в печати.
95. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, A.A. Sinebryukhov, "Plasma Immersion Ion Charge State and Mass Spectrometer", Books of Abstracts of the 11th International Conference on Ion Sources, Caen, France (2005), 205.
96. К. Yatsui, W. Jiang, N. Harada, T. Sonega, "Application of intense pulsed light ion beams to material science", Pres. At 12th Int. Conf. on High-Power Part. Beams, Israel (1998).
97. I.G. Brown, J.E. Galvin, R.A. MacGill, R.T. Wrigth, Rev. Sci. Instrum. 58(1987), 1589.
98. B.M. Лунев, В.Г. Падалко, B.M. Хороших, "Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги", ЖТФ т.7 (1977), 1486-1495.
99. A.A. Plyutto, V.N. Ryzhov, А.Т. Kapin, Sov. Phys. JETP 20(0) (1965), 328.
100. А.И. Рябчиков, И.А. Рябчиков, И.Б. Степанов, "Способ измерения спектра ионов и времяпролётный спектрометр ионов", патент RU №2266587, приоритет от 23 июля 2004, БИ 20 декабря 2005, №35.
101. А.А. Плютто, "Ускорение положительных ионов в расширяющейся плазме вакуумных искр", ЖЭТФ В 6 т.39 (1960), 1589-1592.
102. D.M. Sanders, A. Anders, "Review of cathodic arc deposition technology at the start of the new millennium", Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000), 78-90.
103. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, A.A. Sinebryukhov, S.V. Dektyarev, "High-Current Vacuum Arc Ion source for Ion Implantation and Coating Deposition Technologies", Rev. Sci. Instrum. 77 (2006).
104. Распыление тел ионной бомбардировкой. Под. ред. Р. Бериша // М: Мир, 1984.-336 с.
105. I.B. Stepanov, I.A. Ryabchikov, S.V. Dektyarev, "Investigation of Tungsten DC Vacuum Arc Characteristics Technological Application", J. Vacuum — в печати.
106. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov, "High Frequency Short-Pulsed Plasma-Immersion Ion Implantation and Deposition", J. Vacuum в печати.
