Математическое моделирование процессов переноса атомов в твердом теле при воздействии пучков заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Томский политехнический университет

На правах рукописи ПАЩЕНКО Олег Валентинович

УДК 539.124

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ . ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА АТОМОВ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики при Томском политехническом университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математическим наук,

старший научный сотрудник В.П.Кривобоко»

Официальны© олляоненти: доктор физико-математических наук.

профессор А. Д. Корфтаев ССибирский физико-технический институт, г. ТомсО ;

' кандидат физико-математических наук,

старойЯ научный сотрудник В. Н- «Савчук С Харьковский государственный университет}.

Ь-эдуя;ап организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск.

Заи>:т<-1 состоится " 2.4 anfituuJ , 1QQ2 гола в !5*° на . заседайии специализированного совета ДС63.80. ОЙ' при Томском политехническом университет© по адресу: £334061,

Томск, пр. Ленина, 2а, библиотека НИИ ЯФ при ТПУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТПУ.

Просим прислать отзыв в двух экземплярах, заверенный печать» организации.

Автореферат разослан ** ^ года.

Учении секретарь»

Сл-.?ЦН‘Н г, \ юиронАниого CcTá tí та, кмндпдат vHoííko-)¡'47 *»н*чтнческих наук

Ь. К.Кеноноь

- з -

ОБШЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТГІ

АКТУАЛЬНОСТЬ. ІЗ последние гоглі і«мрско «ссладу^тсп возможности методов модификации nouftpxtfocTl! твердих 1*0 я с лом остью концентрированный потоков зиергнч - излучен«« лаэ*?ра, плагин, лучков оаряяеннчх частиц и т.д. Польски потенциальными возможностями для модификации обладай? пучки

НОЩЯЫ:: ИМПУЛЬСНЫХ усКОрИТОЛОП. ГЇОЗШ1КЛ>5ГрІО D оСяуЧЛ*МШЗ? 1*Ш1

материалах неравновесные полл температур и давления, $лзottíia превращения и другие явления позполямт получать новыэ lígt«-ст аби л ыше упои, т рудн од ости зимш? при непрерывном облучении.

Несмотря на успехи а отдельны:: направления:?, в целом проблема модификации поперхиости пучками заряжешшх частиц далека от своего разрешения. Остаются не исследованными многко аспекти процессов изленеинп структурнс-$азоаого состояния твердого тела, что сильно затрудняет оценку тскло-ЯОГКЧОС!<И5С ПОЗНОЖНОСТеґґ ОТГГІГ ^'C>r<^Лw- •.

Наиболее фундаментальными задачами одзсь cid льются диссипация аж«*ргм;? коток« и перенос вещества п облуча<?-ыоП Ср»Д<Э. В рвСЗККН nopftOft W» PÍÍX ныеютсп опредг? ленные достижения, и d н/»стеаг?*е npoííí; mi с при'**!хъноЯ Для больмтстпа практически ña^.Híí« сяучас-n стелс-ныз точности ыоаои прогнозировать основные параметри распространения энергии в образцо. Уровень понимания фиаЦкіг rtpotfsccon переноса перства эначи-толыю ниже. . .

Миграция атомов о1 Твёрда# тело под действием непрерывна нонных пучков изучается уйе Солее десяти лет, но приио— нУїт#*льно к импульсному рехчгму об лучен н ¿1 сделано пока сраэни-•FO'jf&Ab ёмкого. Ifwe&z&ecft в научноЯ литературе неииогочн'с-r.&tíiítí& экспериментальные результаты позволяют судить о высокой’ ийтґенситзностн іірбй^ссов переноса атомов под действием могцнык иУїтІу'льсіШзг пучкой заряженных частиц, а' также о том, что кинетика мехайн'змосУ й'й'грации тут коренным образом отличается от іійнетики' йи^расции при непрерывном облучении. К сожалению, развернутого iícc ледования в этом направлении до сих пор не провздилосьу Лозтому трудно даже сказать, какие именно механизма определяют динамику процессов переноса.

Ломимо миграции атомов в конденсирооанном веществе, представляет большой практический интерес вызванный облучением' унос вг-щ^ст&а с поверхности образца. Выделение всея

энергии мощного импульсного пучка за десятки-сотни наносекунд в слое толщиной порядка длины пробега частиц позволяет разогреть его до температуры кипения и испарить без существенного теплового воздействия на более глубокие слои и тем самым существенно повысить интенсивность эрозии ПОйбрК-ности при ее технологическом использовании.

В связи о изложенным ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ иоако сформулировать следующим образом.

1. Проанализировать механизмы миграции в твердая т.одог облучаемом непрерывным ионным пучком. Объединить ни. описания в рамках единой математической модели, позволяющей прогнозировать злементиий состав поверхностным, слоев образца при ионной обработке,

2. Провести зксперимантальнсе к* теоретическое исследо-

вание процессов переноса атомов. конденсированной фазе образца под действием, мощных. ншхульсных пучков заряженных частиц. Выявить впэиогнше- механизмы переноса; оценить их роль в формировании результирующего концентрационного профиля примеси. %

3. Исследовать кинетику эрозии поверхности твердого

тела при облучении его мощными импульсными пучками заряженных частиц. Изучить возможность практического применения мощных импульсных ускорителей для микрорельефиоп обработки изделий» в частности, для изготовления кристаллических элементов кварцевых пьезоэлектрических резонаторов в виде обратной мозоструктуры. ' •

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАЕОТЦ характеризуется рядом впервые полученных результатов« представляющих теоретическую и практическую ценность для развития радиационного материаловедения и его технических приложений.

1« Создана модель, миграции атомов в -твердом теле при непрерывном ионном облучении, объединяющая в себе описания процессов распыления поверхности, баллистического каскадного перемешивания, радиационно-отимулированной диффузии и гидродинамического течения Матрицы. Определена роль термодинамических факторов при ионном Перемешивании.

. 2. Исоледованы механизмы. миграции атомов в образцах,

облучаемых мощными импульсными пучками заряженных частиц:

диффузия атомов примеси в расплл»о, баро- и термодн$$узия» сегрегация компонентов расплава п движущемся фронте затвердевания» перемешивание материала я гидродинамическом режиме. На основе» проводеииого компьютерного иод^яяропания сдо*а.яи оцрнки вкладов данным механизмов в формиропание концентрационного профиля принеси.

3. Выполнены нсслг?доэания стиму лнропанноП мощикм импульсным электронным пучкоч десорбции модэкул газа с поверхности твердого тела. Оценены роли различных механизмов десорбции п зависимости от плотности тока пучка.

4-. На основе созданной модели т*»плоат!;г процессов изучена кинетика зрозии и образованна нош^с в оС-разцах, под-

верг аК'ГГ.П!ХСП воздействия» мопяыи нм пуль сныч потоков зпоргин.

О. Обоснована применимость ыопчи?! :м*пульсшг« ионных пучков длп янкроролье £чоЯ обработки кп<?рцег»н:г пь'-оо-элзмон -топ. НаЛдгил опт:!!-га.‘;ьиг‘.? регигш сблучежт. Показаны лреиму — г/;>стоа такой технологи?? перед *граднциогпн:чп.

АВТОР ЗАПП^С+АЕТ:

- модель миграции отоиоэ в ггэтаялах при непрерывном ионном облучении;

- результаты исследования переноса атомов под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц;

- результаты исследований десорбции молекул газа с Поверхности металлов при импульсном злоктронном воздействии;

- теоретическое обоснование методики размерной обработки поверхности кварца мощными импульсными _ пучками номов с целью изготовления пьезозлемемтоп резонаторов й виде обратных незоструктур.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в следующем.

Разработанные и реализованные в виде программ для ЭВМ -модели миграции атомов п образцах* облучаемых непрерывными и импульсными пучками заряженных частиц, позволяют прогнозировать формирующиеся в результате облучения концентрационные профили примеси. Тем самым может быть достигнута оптимизация параметров облучения для получения поверхностных слоев образца требуемого элементного состава.

Предложенная методика размерной обработки кварца мощными ионными пучками наносекундноя длительности дает возмо»-

- G -

HOCTb BO МНОГО píiG ГіОЬНСИІ b производительность Ть-лІіОЛОГНЧі-'С КОГО процесса при ИЗГОТОВЛЕНИИ кристаллическая ЗЛОЦ-ІИГО^ пьеэоэлоктричвокик реаонаторол в виде* обратных і«і>слС>отру*<тур.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результати работы обсуядаллсь на ряд.? конференций И семинаров, з тоы числе но. всесоюзной конфероь-цин "Ионио-лучевая модификация материалов", Черноголовка, 1037 г. ; II международной конференции "Electron T<sChno~

Іодіоз"» Болгария» Варна, 1Q3S г. ; I всесоюзной кс.і^еронцнн * "Модификаций с&ояств конструкционных материал ос, пучками зарзеиных частиц'*, Томск, 1038 г.; III международной конференции "En&ryy Pulso and Partid© Beam Modification of Materials", ГДР» Дрезден, 1Q8Q г.; всесоюзной коя^оренцяи "Новые технологии и робототехническне комплексы при производстве авиационной техники", Карьков, 16Q0 г.; X всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", Зоеии-город, 1001 г.і городских научных семинарах Тоисха, семинарах НИИ ЯФ ТПУ и др.

Автор благодарен научиоыу руководителю к.&.-м.н.

В.П.Кривобокоэу, сотрудникам НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете Г. А.Салульской» С.П.Степанову, старшему научному сотруднику Республиканского им итог горнотехнического центра Сг.ТомскЭ В.П.Яновскому, а также оава-дующэыу лабораторией НИИ прикладной матк?м*тнк;; :: і:г::аникн

при Томской государстізсгнноіі уинсорск ¿’ото А. П. l.íyv.o^y о.и помочь d работе-.' i; ko^ívc-.jqo оЗсуьдиниі? l-ú- р^зульт^їс...

ГіУЬЛ»і-»УіЦ«{И. ОсiiOjHCifj содорікШіИо дисоорточии’ 7,.,р1,г.' ,‘ііо

10 puiCo'ÁWvX.

OffLEH И СТРУКТУРА PAÍ30TÍ3. Диссертация состоіп иия, трех глав и заключения. Она содараиит ІЗ-d . страницы машинописного текста, 43 рисунка« 2 таблицы и спьсо;: цитированной литературы из 102 наименований нь 13 отрани:,'^;;.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность задачи, формулируются цели исследования. Определяется научная новизна и

практическая значимость изложенных » диссертационной' работе результатсп. Перечислены положения, выносимые на защиту.

ПГГРПЛ'} ГЛАВА посвяг^она процессам переноса атомов в твердом , облучаемом -пр'='р*лвтгин пучками ускоренных

“С!юг>. Л'--и обзор работ, > :<оторш< рассмотрены различные

• еггэктн прехо^дэния нонет» ^е^-гста© и ионного переиешта-:”;П. На основании их критического анализа разработана мате-••атичэскл'-т год-эль мигрг:ц::!г гточоп п многокомпонентных систо-кгу, учлт/зп-,ггй(1 следу!ЧС~М О ПрОЦОССН: распн-я^мне поверхности,

7 '■ * "истич^с-с'* каскад иг ? пэрзм'»1гн ванне, ралиационно-стину лн-'С''йннугг :п ' у ".'АУ), г ид г г; динамическую релаксацию хатрицы.

Рас». *т ' ■т.-гстнчес.чсго перемсЕП1зенн ; производился на

„ г.. ^ у„ _ . . .

‘ " ГС С. С :<-тО &, 'Г-.’т, ''лЗ

' --П к-го --.~с 'с.: •?. .. - •„ ^астг>с*рл# ■ - <:гс‘т.- г.: ' с**

.'.-.'••ггз. Сачплпе пгр?носл (.* с.::0 ммеот с"г*ду!:’ТГ?Л с:'гсл: ФЛЪ С » 2 3- сррсптч^сть того, что я р-^оугьтау»

единичного фл»енса ненов Ф£Л* атом примеси к» расположенный на глубине х от поверхности, переместится на глубину Гх+г,‘ х+2+йзЗ. Величины сечений переноса рассчитывались на баз© теории прохождения ионов в веществе Брайса и работ Сигмунда и Грас-Марти. При этом учитывался перенос атомов примеси в результате взаимодействия * как о ионами пучка, так и 8 каскаде с атомами матрицы. . •

Для удобства математической обработки интегро-ди$ф»рвн-циальное уравнение С1) может быть приведено к уравнению‘типа Фоккера-Планка. При этом поток компонента к, обусловленный баллистическими процессами, определится как • *

- С 2>

л • • .

' где V Сх) = Ф/2о; Сх.гЭсЗг и О СхЗ *= — /з сг Сх,2^2 - фор-

бк к 6к • с2 к

* ' 2

иально поеденные баллистические скорость дреЯ&а и коэффициент диффу-эии, К - ядериая плотность‘матрицы.

Расчет, 'диффузии производился по • пакансионяому и меж-узельному механизмам:- . * . . *• • * ' . , „ ‘ '

.1 , = м Г~ )с(, УС + 0У 7С - О1" 7С ].

дк | ^ ^ ^ -I ^ к у/ ^ К *• J

- в -

Здесь индекс V относится к вакансиям, і - к мехуаельньш

атомам, ^ и О1 - коэффициенты диффуоии принеси по соответ-к к к к стеующиы механизмам * 0^ и Ц — коэффициенты диффузии дефектов по атоыаи сорта к, >0^...- термодинамический

множитель, отрааающий зависимость химического потенциала системы от концентрация еь* компонентов. Усиление диффузиои— ного потока при облучении определяется как увеличением числа точечных дефектен СО^С , О*“ ^ С. Э, так и радиационным разо—

* к V к V

гревои образца. Для расчета концентрационных профилей м<эж-узольних ал'оцой и пак&ксии рожались соотоетстЕуксии* уравнений диффузии. Скорость генерации де^лэкто:« рассчиткяал.ась по йодоли Брайса. В качестве основній механизмов исчус-н^ения дефектов приминались их рекомбинации и поглощение' ьо^ерх-ноотыэ.

Потоки компонентов твердого растЕ-ора сияз&лы нихду

собой явлением гидродинамического течения СрелаксацниЭ матрицы» которое возникает, когда в результате баллистических илн ди<|#узион. лх процессов ядерная плотность матрицы ¿таноыится отлпчнол от равновесной. Гидродинамический поток ,3 СэО мо .йг быть найден из условия баланса ьещост&а:

• N Г і + Ы % V —™ 1 ~—Ґ) +1 + С і ] = О, С43

I ГП1 4 *,4->с ^ «ик к Ву •

где V - удельный атешшя объем.

Суммарная поток к-го компонента системы равен

~*к ~ ^6к + -*дк + Ск^т* СВ;)

а зиолюция концентрационных профилей может бить рассчитана решенном системи уравнения

[§С " ись:> г~^\ = -Ч^Сх.О+С^Сх.О , СЄЗ

- к-1. . п

с граничными усло&шши на распыляемой поверхности

иС'Л:Г 5У>А + С^м. 1:=1. . п. С7'і

^ -- исто !і 1-і V* у. атонор ссртл к, отличный от нуля а

ч-чо .оі:;л*ді»тііц:пі.

/ •'* '< ■* *-• і »-і рьіч с.-■; пл : £ с- г _* ;( ни ис-гурч -..Х'_Л'.-р.ТЧ1.І!.;;с

.Сіі'-І к(ЛС5-'

снятиин поо,;„ 1эо;,уч.».ши тежгоплниочныя ,:оиио „мші

нохп-.-к пучком. Било і,о,-,/ч,-,но «©ров»в сллзьсий ;..н оі.с.тй.і. ;.оі!!і0„£нтлш которих стоутотлу«т МИ ШЧ,Т.І'.ім..

і-.ь,.*- .¡.КС.. 13. В Сіучаи с;:гт.-;,, склоаш;-; : . . ¡( МЩІ -

о

Гпо. 1. 'Со: у • іїто^іутонзі:-"-: про-

.'■’Нль Cu - V пос;-:-» с '¿¡г* уі

лиа !’*{ гт”^з':'21 ;fOM.V'4 r-.p-

гс'гл с г- : -«г і'”! ' „ Г. О ;у% кг

-оа:, 1„. г;*" П ~

і С* {> с: ; “

* - р:-с . -

уург' j:p- г • с:: і йгоутпт.'.} '.v "„•ус*

UHfs..*:ii от ї'гиіідгнтр чу:;. ус.їусу»; уте.-) торї;од:5ї;я>;іг4''-сксго ■’• у. с”г-, "у..........

P;'2. -.--p«- y- - r:;:-o-

■"чл:5 МЧ '¡L С::- :у:—' ■ ‘Ґ^ргі-

c'r ‘T vor-ry-'.j-? : тііц:-

. ’/•'•y.....

• ■■■:•: c’iy рлс:гс-“-

ІЗо ВТОРОЙ г;*лр; гсготр;::* Г-СУУ^о:-: уиссп '■•.To’yro с

п о п g р X и о с т и тгзг-р.-ого т уліі г;рч сЗлу'-т у;у ' ' —: r:>T-':s '»**гтульс:;::::':г пучками олрп'~^іпя’у 'гіст;^. . -

F'! ;полн о но гм<с-лор!1:<онт.^.ль::0’.*> :î те0р^т;г--‘ісг:0'ї ?тсол£?„*:о^а~ пип дс>сор'£ціт сор^чрозшупггЕ î:~ ne'r-p:•,:^z”¡5 : уті.тл “n lycjo”,”': иал'-хул под лсг::т"г ■: :::тіу -ы'¡:r: у- yi ; - :;у rxyyyo*:?. Л"»т

у г, о *пчсч!:у: гг-упг, у;.у< -,. *:г-Л - ...........п -,... г..- - _:г

-, - ... -, _ ..сг - .,,г,

Г’Г-/ :?• . С'Г-ГС •

- • г г;:»' • .. с .

у .--¡у ; ,>т -.’г •

...о.; :> т ;; С) ; с

■-■■■ ■ . ••O — Vj';-; У;'::-!!

гнгго с.'оу с-Ср.чп'Г,-о.- -« у.'-; плп

: : с гч ' ~ у г f :т -

." с і '• : г г ■ / ' v « : • • : п р з î ■ го;1

у.-! у-p сУ'/:’ ?: ■.

превышает коэффициент распыления при непрерывном облучении.

Корректнее бсого срооия обраац* под действие* концентрированных потоков энергии может быть описана решением уравнений сплошной среды с использованием широкодиапазонного уравнения состояния вещества. Однако такой подход нельзя реализовать для сколько-нибудь сложных веществ в связи с отсутствием для них констант уравнения состояния. Поэтому для решения данной проблемы наии било использовано уравнение теплопроводности с учОТОЫ потерь TOIíJitl на ^.aOOuUe переходы С задача Степане.}. Ср£»ы:*нш; гч>зу льтатоа рейс* ни я задачи Стонала и ypa&H^'iniíi сплислюй ср£?ди для ряда простых иет«.ллоь показало, что /«ля паотлостсп зь^ргсьыделенип, нслользуеьих и задачах i-ís.гёриаловодс.-ния CiíiO*1 Дх/кіО , применение задачи Степана вполне корректно, т^і: как &£.\ег:ты, связанный- с изыь-нением пло ,-т'<ст:і ь<:п;.:-ства и-одеть:к-.- т орыомехаии веских процессов, n.j ,» Кро» .? того, Сило вік: но,

ЧТО Si СІЛІ ''І'Г.Ли .1,..^.- .-¿Ы). ..O-J V wllu-priiil ’Іе-'.ІІІМ

имеет v. _'.ív.,; .., .. мь<-- óijp-.^;,í Сдля oi.iípriifi ^1 :*tc

üüpHKT'jpü;: „ЛІЗЬ >3 ЛуГКііХ ilChOeD, эрозия происходит, f c-í:. , ь .-обяодимук.) для n^pcskc^a ь глсо:£рй*нй£.-

‘л.; : t.f.nic, r¡';<u г t! roiiu, HiiXo;]:iu;(iL-ü . ¡:^i глубине 0¿p«l-

цирк c>.¡ стьрасиаайт »и.:;од;зі;іук>ся бьиь к

:.oi>¿p: .-іості; “::рк ^су “ коил-.-нсароианноп ijáau.

OChOBIJi.O f¿ ¿K 0.4 üíj сі р Ji ОСТ И ЗрОЗИИ образцов ПОД Д£*ЙСТЬ*ІЄМ полных импульсные ионных пучков изложены на примере размерное обработки кристаллов кварца.

Б работе предложена технология изготовления высокочастотных кварцевых кристаллических пьезоэлементов в виде обратных меэоотруктур с помощью ионных пучков наносекундной длительности Срио.ЗЭ. Ланная технология обладает рядом преимуществ по сравнению о традиционными методами размерной обработки» которые либо не позволяют получать достаточно тонкие, в десятки микрометров, пластины Сыеханическая шлифовка^, либо не обеспечивают должной равномерности обработки Схимнческое травление), либо обладают низкой производительность» Сраспыленне непрерывным ионным пучком}. Наносекундный ионный пучок за один импульс обеспечивает испарение слоя кварца толщиной, близкой к проективному пробегу ионов, без сущйстьенного теплового воздействия на более глубокие слон. Последнее важно, так как плавленый кварц амортизируется, а

Ып

я

ч

Рис. к^нс': •

лгни: ■ ч о к *:

np.ii

11;У л.:

СЭР^-ОЧ

:цл, 3 -

. ЛОЛЛЙ1:

г^рагиаI

с* 573 С жтр-л :•.*

Рис. 4. Зависимости глу-пн лролгш:-.генип ¿лз • и кварце 1-.с ели облученил с.'-мганнкп ПУ1КОН СЕОЯ !Г + ЕО% С*Э с С «0.3 )ЬВ. т = 200 не от иттоунэсти '.т:ссд.

-XI.'. ИТ

!!0 Пт3.'

‘бЛ'/Ч*- .ЧМ с к

-фЦ^ П’.и

;. ;.«мос’Гь -I } с. о

ОНОР. ТоЛ'-ЦШШ

?р!'.Б!Г>..: { ТДК^:- С . 1е Д(» Л Л •.Г С :1 .."-СОЙ

акор^ноп и /з-фаэ зависят от энергии и энда ионов о гораздо иеныьея степени. .

Более интересны зависимости толсин 1>аз от плотности тока пучка J Срнс. О. Прн малых Л, когда испарение отсутствует, мдот интенсивный рост «идкоП и р-^аэ. С началом испарения часть энергии пучка уносится парами» и толщины нежелательных фаз резко уменьшаются. Дальнейшее увеличение J

не приводит к существенному изменению 2,2 И 2

так как

образец экранирован пар4ми.

Зависимости толпин $аэ от длительности импульса излучения т прн Л*сопа1 Срис.5Э имеют сходный характер, однако при больших т имеет место рост нежелательных фнс из-за развития процессов теплопроводности. ЗАВИСИМОСТИ 2СтЭ !»рн фиксированней! плотности флкенса энергии пучка .Гт-сопгЪ Срис.ВЭ указы-з н ууг на необходимость шшпыиз.чцям т, покуда это позволяют энергетические позно*ности ускорителя.

Выполненные на основе уравнения термоупругостн расчеты

2.0

0.0 ггтп г т 111 11111г

0.0 200.0 40^.0 ССЭХ

Рис.С. Заепсимости глубин продзи-гоним $ЛО Р КЮГ.рЦ-З поел:- облучоииг. лучке:; гонор угл-'родг' ос П - 0,0 Г.-'ЕЗ,

.¿=£0 кА/си‘ от'',1'^ито;;ы;ост1: пипульел.

Рис.С. Зд&исимостг продвижения £03 :

после оОлуч^ниг пуч-.: аргока с Мо:-

костью ^ 1>л гогн-:.:,

7.0 1\гУоу." от д;-.- • импульса.

возник^ади: в образце тсф)-:о>ге;:аиичоскнл напряжении показал:», что они не превышают 107-10а Па, что на 3-4 порядка иепьегэ продола прочности квлрца.

Правильность результатов расчета подтверждена окег.орн-ментально. '

Рекомендации по выбору оптимальных параметров облучзкия пр>тодэны о вызодах по равот©. ' .

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвяпд-эка исследованию пызаанког; ’.:ос:шг5 иыпульопип облученном нитрации . атоиоз г> ионлаиспрс-аат:мсЛ

р. т.I. сС) э■ о■? 1: ; иучгю*' по^о.'- •

:-к'?тонО'.: 1. ¿1 с с - с г: ^ к тр сс: -1 р л я ор;:,*н.-.“: :;о::эз. Гг-а!.,

пробил;« концоитраг-нти ^.'л'тч'-ри.ила илонки п цсоС'Г.ум;. 41 Срис.7, крипая 12 сьпдстольстоуот о эгороиг??« к ■¡ос.'чЧ: сЗр-чо!’,и проогд'иши пилдмза. Дгя оЗлу'<с.Н) с, а \ пксирэг-ьи.ч опалпле^лии-'-ич глубина проникло: .-•.•• г' подло.«! у Срис.7,1’0. Прпниь Осч ;* пит-^л;-« •' о;:2л;т: ироц^соо; 1<р~<ьл с'/^г-ст&ох^а.чи»: на гог-^ргг.;;":', Лкнд^о^ ц!' рлссч1ПР/;| о'“сктлг^.-и;: гоэ^а;;;;;:-

сип, -ксторг:? окаоалпс». раьни ~10 "-10-4 с>/ /• с

НС^СКО Л* КО Пир«Д:КО» НрРГЖ^си'Т ЗИ^ЧС'Н'.Ы ¡..оо ^НЦН^П о г, ’жпг.>с*«;; ибт а,; лше. Столь пнтене.пгш.-;: пс'рию:' но :

оЬъяснок

Г!рГ!!.’ - С С «V

.• т- С>> '¡1:

С<Ю

’510 КОЕ' / С И ' 3 •' люепол П ИПу П.-:

Рио.7. Концентрационные

просиди пос;:2 облучсни.я образца 0,3 ики А1/КЬ: 1 -

к-облуччнчуй сгёрьдиц; 2 -

1-1?30 !./ги"“ ; 3 - .Ь=1 ПО Д/С1Г, Л н:ыулх.'СО^. - '

Рнс.Й. Копцс-нтрацнотша

про}:1-’.и после облучения образца 0,1 нкя Ад/Си: 1. -

^30 А/си2; 2 - 1=80 А/са'^ 3 иипульсогг; 3 — ^170 А/см .

-•с;;

чглоэ г50Г>деГгстш!о пороьд&^т и образца ио;’,-полп 'г_-1ШорАТ*';' гради^нти

со СУ\ ,и

_тили с илпзнш расчетами, дсстигапг

Ю’ ’ Г. а/14. а :гтг услог.и>::« иогут стать ан^чит&ли-

:и*-»п с! ччиа ¡;р^а.;'йь^глг1ша термо- л Сйрод-.ь^.узионние порск«

к ‘ У,

I Я - )Ю 'ГГ и J - - НО -Д. 7Р. СЮ

Т * Р )

3>1ч?СК» N - ялсрл^я платность агтгл?стпа, О - КОЗЙфиЦИЬНТ ДИ^'фу-ззш. Т - тшзлературя, Р — давление» и кр - соотвотста&нно тарно- и бародифузношша отношения. Вмполнешшэ иаын оценки

показали,

что

а

услоэнях сблучония; наносскумдшш ноннмц

- 2

пучхон потоки -)с~“^07С, Jм » ^ соотносятся как 1.:1:Ю

В СГгЯЗЛ с отнм нами было прозодено болео детальное-нзучзгшё’ дн*-Ауаии под даястпнои градиента тэыпературы, для ч&го тормоднбфузиош^оо ур^влеино

~ = 7Ю С7С + -.-Д.' ГПЭЗ С СО

А .

решалось согпп^стло з -задаЧс-Л Стерана. Расчета проводились для уС/(0»1лч зкелорниоитоп до момента полного затпэрд&заыия С1:р*13Ш'. Рс» зу льтати ДЯП одного нз режннзг» облучения привеле-

мп ;1 ’■; о Г-.‘,Ю. г1;; то ♦ что у ч^.-т Т:? г л ол: 1 ^ ’'V';:;; ;•; ,л г< е-- V с'.’П1:; с^т “

О:)')!..! ''-'-‘Г Л- - ;\-1!ОС б И Л СОДОО ИI {Т ■* ]! СИ ¡.V ¡1и 14 .

‘мткм1 .фнчинол усиления миграции стонов ипц д-л г, -

С’Г1‘)и>и йг \;:П1.ч' ;;пггу .‘ислш;: пучке; г* »;*?зп!Л1{ частиц и о * г-т о ;-гг!:

г: . -•:’!«-• г^г; -стг-д п ряс-м л л*'* пот-; .---г, . ¡, р г • * ■' :< • -

Ч М 1

' 1 ¡/Н. м/о

Ад/Си. 1 - эксперимент, С -расчет с учетом терыоди<5<£у-зии, 3 - без учета.

Рис.Ю. Диффузионный ^ и торнодиффузионнип J потоки в момент времени ^=80 НС.

может стать тонка« структура могзюсти энерговыделення сдоль

поверхности оСразца г* либо преи^угяостг?.г-}и:о'-с

Результате либо оиламентации пучкл, .’Р<'.т<зкания тока по пика« шерохозато-

стн оСразц^. 0 о£он:: з: *чз.ях характерный раэиер нооднородно-

с то Л о к р; слг.'ТК;!

” ЛЯ : «сл^дс- ";Л5Г‘

ь Iи--?ИГ', с::с,тека у :*г» ,• :ч«элаз;!о*» мип-зни }.'оад:?. иаксимумо 10 кА/сн2.

.■’-"¿»лсет десяткн мнкропетров. '

•ого процесса нами Он:а численно ‘1 СЯЛСГаНОЯ среды для случай облучения с^локтрслным пучком с Е -0*0 МэВ, J в :=140 не Сна грани испарения}. Была разработана схема решения уравнений в эйлеровом виде, позволяющая отслеживать движущуюся поверхность конденсированной фазы. Б приповерхностный слой образца были введены точечные маркеры» имитирующие ч&отицы пленки. Отслеживались рассчитываемые через массовые единицы Сдля устранения эффектов изменения плотности} смещения маркеров по глубине.

Результаты представлены на рис.11,12. Видно» что за время моделирования» равного. 200 не, смещения маркеров со— ставили десятые доли микрометров. Анализ поля скоростей среды показал» что движение маркеров не является простим колебательным процессом. Естественно предположить, что за. время существования жидкой фазы и затухания волн д-авленАя.

С десятки-сотни микросекунд!) смещения могут составить саачят тельную величину. К сожалению» довести моделирование до кокца не позволяют возможности - вычислительной техники. .

Если содержащаяся в расплаве примесь имеет разные про-, делы растворимости в твердой и. жидкой - фазе* то при движении фронт¿1 затвердевания в нем будет- происходить ее • сегрегация. • Р<= эз>льтирук>ш«Л профиль ■ концентрации примеси определяется как

Рис. 11,12. Эволюция суєіг.знцЛ карісорсії, иаігодшгсіхся •:& исходной глубине 10 нкм. Период нгодиородностоЛ эноргозндэлония ЮО нкм. Ось у направлена здоль позергшасти образца.

КОЗЇ-£ ІІЦИЄНТОН сегрогаїдііїї » так П СООТНОЕІЄІіИЄИ ІіОГЇДу ннтєнспгі-

ностью перемешивания расплава *і скоростью движения »¿ронТА. В работе проанализирована кинетика отого процесса прішеннтель-но к воздействию коадіи:: ннпульсшзк пучксз слрс.'он:;!.::; члстпіі . Вияснено» ЧТО ССГреГЛЦНЯ МС^ГчІГ принести к поколения резким пиков или проп£іЛОЕ концентрационного прежняя - зависимости от величина кос?.* фицп^нта сегрегации - 5 тачко максимального проплавлення и у попс-ркности. Толщина эти:-: ликоз состазля*.}'? ~0,1 икм для электронного облучения ;т -0,С1 - для ионного.

На остатьноп части концентрационного пробила влияние сегрегации незначительно. Сдолатшя виэо.ц подтверждается наличием резким максимумов у поперкности на зкепор.пнонтлльне получении:: конпентрг-циокн:;:: про^плл::.

с'Г у :-нпо-:. г. о-'і'ііін и:і р . П'.: і у о ості г с-іь •ргсг'і-'г з.'іС ::;ігт.

3 Л К Л П Ч П Н И С

Ьылзлнениыо исследования позволяют сделать слсдуюаде выводы. ••

1. Предложена модель миграции атоыоо в металле при облучении непрерывными пучками ускоренных ионов* учитывающая процессы распыления поверхности, баллистического каскадного перемешивания, радиационно-стимулироэанной диффузии и гидро-

- ю -

динамического течения СрелаксацииЭ матрицы. Реализованная о виде пакета программ» она позволяет рассчй+ий&'+Е* кУНЦвЦ^рй“* ционные профили при имплантации примеси о образец» перемешивании нанесенных на поверхность тонки« пленок и маркеров. -

Расчеты для химически не взаимодействующих бинарных систем показали хорошэе согласие теоретических и экспериментальных данных. В случае систем, склонних' к образованию химических или ннтерметя-лличоских соединений, необходим учет термодинамических диффузионных факторов.

2. В экспериментах о использованием наносекундных ионных пучков зафиксирован интенсивный перенос вещэства, соответствую^!?! эффективному коэффициенту диффузии на уровне 10"2-1О-4 сы2/с. Анализ проблемы показал, что механизмы» определяющие ыиграцш» атомоо при импульсном воздействии, коренным образом отличаются от механизмов» присущих непрерывному облучению. Основной причиной пероноса атомов являются возникающие в образце мощные неравновесные поля температур и дааленнй.

Численное моделирование тепловых и диффузионных процессов в тонкопленочных композициях, облучаемых мощным ионным пучком, показало, что диффузионные потоки» обусловленные градиентом концентрации диффузанта и градиентом температуры» соизмеримы. Бародиффуэионный лоток имеет значительно меньшую величину. Тем не менее» неоднородное поле давлений стимулирует перемешивание материала , пленки » гидродинамическом режиме« Моделирование движения маркеров *к> приповерхностных слоях образца, выполненное для случая облучения электронами в рамках решения системы уравнений оплошной среды» свидетельствует о том» что оа врем» существования жидкой фазы и релаксации волн давления гидродинамические течения способны привести к существенному Сна единицы микрометров^ проникновению маркеров вглубь образца.

Кроме того» на пространственное распределение диффундирующей примеси мо^лт оказать влияние сегрегация компонентов расплавленной ооны образца в движущемся фронте затвердевания. Этот эффект более существен в олучае облучения электронами. . ’

3. Выполнены исследования десорбции молекул газа с поверхности твердого тела под действием мощных импульсных наносекундных пучков. Выяснено1» что при неболызши плотностях

тока Смелее 2 кА/сиг5 она происходит гласный образом вследствие рассеянна электроноо пучка на адсорбированных атомах. По'мере роота плотноотн тока oSpooon разогрозаотся и начинает доминировать процесс терноетикулнропанноП десорбции. Яосорвциэ физически сорбнрооанпи« полярних иохагеуд » результат» кш пареориентации а электромагнитной пола пучка в дна-пязока платносте» tows' йОа-іО*,А/с:іь аалонороптна.

і. Эрозия оврагна поя' -дэйстоис-и ногjiiH наносекуидіши цопни'! пу ’-г.'о л опрод-зя^тстся- ГЛ.-ПИИЦ овразси нспаронкеи материала вследствие радиационного р&;?огр&іш. Койофицнот эрозии достигает 10°-10^ атоцоя nzr :їси» что на 4-3 поря/п^он

npGOtiIU£XQT КОЗ?.фНШІЙНТ рЛСПЇіЛЄЖИЯ ПрН' И ¿iiTpOpi.Tr:HO*f ОСЯуЧ£Я1Ш,

Ровюшмэ эалачи о распроотраііоіиїЯ "<їгї.".гї d ишсэин позволило определить оснозииз закономерное?!!’ кинэтики испарэкня. Корректность лрннснония тепловой иодолк для рлсчот?. oposiiii подтверждена окепорииокт^г.ыю.

3. Показана це лесооЗразноот;* нспольяосашія медяних ионных пучкоп напосокундмой длительности для инкрорэлье$ноп обработки материалов. Прополоно детальное мооледопаниэ воэ-ыокноотей такой технологии для изготовления кварцевых пьеэо-элемеитов п вило обратит; иеэоструктур. Выполнена оптимизация параметров облучения. Расчеты кинетики эрозии н роста амор$ноя и /7-фаз кварца позволили уотановнть. что наиболее предпочтительными для этой ноли являются легкие пони о энергией 1-2 МэВ. длительностью импульса на уропио 100 но и плотностью тока 300-S00 ЛУси2. Обнаружен■роакпЬ нэяелатель-ныа роот /9-фазы при относительно небольшой плотнооти тока ^С'О—SOO А/си . Экспериментальная прогорка подтвердила правильность сделанных оиоодов. ■

Современное состояние импульсной ускорительной техники позволяет генерировать ионные пучки оптимальных'параметров. Внедрение предлагаемой технологии повысит производительность процесса ыикрорельофноп обработки в деоятки рао.

Таким образом, наши исследования похаоали, что воздействие мощных наносехундных пучков заряженных частиц приводит к существенному увеличении подвижности атомов на поверхности твердого тела. изменению структуры и фазового состава поверхностных слоев. Это обстоятельстж , может быть испольэо-ьано для создания новых технологий обработки материалов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Валеев Т.И., Крнвобоков В. П. , Пащенко О. В. Механизмы ‘

массоперенооа & твердой теле, облучаемом мощным импульсным ионным пучком. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Иокио-лучепая модификация материалов", Черноголовка, 1Q87, с. 74. -

2. Кривобоков В. П. . Пакенко О. В. > Хасанов О. Л. Десорбций газов с поверхности алюминия под действием снльноточны:: наносекундных пучков электронов. - Дан. в ВИНИТИ, per.

!fl 40S4-BS8 от 23.03.83, редакция журнала "Известка высших учебных заведений СССР”, серия ''Физика'", Токск, 1&SS, 11 с.

3. Krivobokov V. Р. , Paschenko О. V. Features of diffusion

processes In metals under the effect of nanosecond high-current ion beams. - In: "Second International

Conference on Electron Beam Tecnologies - EBT-63.

May 31 - June 4, less, Varna, Bulgaria”. Varna, 1083, 7QS-801. . ,

4. Крнвобоков В. П. , Пащенко О. В. Математическая модель

имплантации ч перемешивания тонких пленок непрерывный ионным пучком. - уоэисы докладов X Всесоюэноп конференции "Модификация свойств конструкционных

материалов пучками заряженным частиц”, Томск.. 1-S33, чаоть XII, с. 133-137. * .

5. Крнвобоков В. П. , С&пульокая Г. А. , Пащенко О.’В. ,-

Степанов Б. П. Применение мощных импульсных ионных’

пучков для изготовления кварцевых кристаллически»

элементов d виде обратных мезоструктур. Научный отчет

НИИ ядерной физики В 23—1700, Томок, £080; 50 с.

6. Valeyev Т. I. , Krivobokov V. Р. , Passehenko О. V. The-

mass-transfer processes in metals under t'he effect" of1 high-current pulse beams of charged particles. — In:-"3rd International Conference on Energy pulse-* and ! Particle Beam Modification of Materiialis" - EPH"8Q, September 4-8, 108Э, Dresden, GDR‘r. Er'esd^n*. 1689,

p. 7.17..

7. Кривобоков В. П., Пащенко О. В. , Сапульскаяз Г1 А.'-,

' Степанов Б. П. Микрорельефная обработка поверхности

- ÍO -

мощными импульсными ионными пучками. - В сб. "Всесоюзная конференция "Новые технологии и роёототвхн..............жив

' комплекси при производства авиационной техники",

Харьков. З-S пплп 1Е30 г. , тезисы докладов". Харьков, 10ЄО. о. 13-17.

О. Криаобоков В. П. , Пакэнко О-В. Математическая модель процессов переноса t.ouoa з ыэталлах при ионном

облучении. - Хурнал тохничаокой физики, 1Q91. T.S1,

вцп. З, О.1В8-101. •

О. КрИБобокоэ В. П. , Пащэико О, В. , Сапульская Г. А. , Степанов Б. П. Изготовление иикрорельефа нопашмн иипг льсниыи noi-mirim пучкаші. -- В сб. "ВзаинодеПстьио

лг,:.;:о с 3Ticn!.;p::.;Govi>?>. Матгрнллн X Всес-' :оэноЛ к с: п ; .■ р¡ j — ...їм 3-6. СП. 1 Г'г‘! “, т.1. 'J. ¡город, МИФИ, С.180-

IÚ1. , \ • .

10. CiOr.nko Л. ;l. . lírlvobckov V. P. , Paschenko О. V. , L’lpui^kaya С. Л. Powsr nanosecond pulsa ion Ьаат іліхіпд.

- Тії: -,Proceodina3 of Materials ПазоагсЬ Sbciety Fall

H.In3. Syiíposi uin Л: Beam-Solid Interaeti oils.'

Iteoeaber ГЗ-0, 1SS1, Boston“. Boston: Materials Research Society, iOOl, 39-43. . , ..

11. Кривобокоэ В. П. , Пащенко О. В. , Сапульскап Г. А. ,

Степанов Б. П. Эрозия кварца под действием мощных нано-секундннх ионных лучков. - Сизика и химия. обработки материалов, 1Є01, 12 в, 0.23-33. .