Модели процесса взаимодействия источников азота (атомарный, ионный) с обрабатываемой поверхностью

Рассмотрим структуру энергетической модели АТР представленной на рис.7.3.

Рис. 7.3. Энергетическая модель процесса атр:

FF – падающий поток, Me – компонент поверхности, два концентрических круга – любой компонент газа, N, N2 – атомарный или молекулярный азот. Дополнительно энергетические уровни обозначены: εA, εXC – энергии физической и химической адсорбции, εE – энергия электрона, вылетевшего с поверхности в результате ионно-электронной эмиссии, εTE – энергия электрона, вылетевшего с поверхности в результате термоэлектронной эмиссии, εi – энергия ионизации молекулы или атома азота, εT – энергия термического воздействия падающего потока на поверхность, εRCE – энергия резонансной перезарядки, εd – энергия диссоциации молекулы, εND1, εND2 – энергии преобразования нитридов, εβ – энергия частицы падающего потока.

Ведущая роль в энергетической модели отводится адсорбционным явлениям. По порядку величин период заполнения мест при давлении 0,8 Торр и температуре 560° С для молекулярного и атомарного азота соответственно составляет 2×10^–6 …1×10^–6с, период бомбардировки одного места в монослое при средней типовой плотности тока j = 15 А/м² существенно больше и соответственно составляет 0,076...0,304 с. Приведенные данные свидетельствуют о весьма вероятной сплошности адсорбционного монослоя [17].

Под ударным воздействием падающего потока поверхность может распыляться как на отдельные, так и на фрагментарные частицы. В последнем случае возможны процессы образования и преобразования нитридов. Падающий поток стимулирует ионно-электронную эмиссию, нагрев поверхности и, как его следствие– термоэлектронную эмиссию. В газовой среде возможны процессы диссоциации молекул азота электронным ударом с последующей ионизацией атомов азота. Другой вариант образования атомов азота состоит в рекомбинации молекул непосредственно на поверхности с последующей их диссоциацией. Наконец, третий путь образования атомарного азота состоит в ионизации молекул, находящихся в адсорбционном слое, вследствие столкновения с ними частиц падающего потока, последующей рекомбинации и диссоциации. Следует учесть, что поверхность играет роль катализатора диссоциативных процессов, при этом энергия диссоциации уменьшается практически в 2,5 раза. Атомы азота могут принимать участие в реакциях образования нитридов или диффундировать в глубь металла, создавая твердый раствор. Этот процесс может сильно тормозиться вплоть до полного прекращения в случае интенсивного образования в слоях, близлежащих к границе газ-поверхность, нитридных пленок, особенно в случаях, когда поверхность содержит азотоактивные компоненты, а параметры технологического режима не способствуют распылению поверхностных слоев [17].

Таким образом, в принципе при модификации поверхности в тлеющем разряде могут иметь место следующие процессы (имеются в виду общие процессы образования диффундидов и твердых растворов диффузантов) [21]:

– адсорбция частиц газа на поверхности с формированием практически сплошного слоя и частичная десорбция их в результате как теплового влияния, так и бомбардировки частицами падающего потока;

– передача энергии от частиц падающего потока частицам поверхности с нагреванием ее до рабочей температуры процесса, стимулирующим термоэлектронную эмиссию;

– распыление атомов и фрагментов поверхности с последующим осаждением их под действием направленного движения потоков на поверхностях обрабатываемых деталей, оборудования или удаление из разрядной камеры;

– столкновения атомарных ионов диффузантов с атомами поверхности или атомами, которые входят в распыленные фрагменты поверхности, и последующее образование диффундидов;

– ударная диссоциация или ионизация молекулярных частиц, адсорбированных поверхностью, с последующей диссоциативной рекомбинацией, образованием атомарных диффузантов и на их основе созданием диффундидов или твердых растворов;

–диффузия атомарных частиц и диффундидов (нитридов, карбидов и т.п.)в глубину поверхности;

– упругие столкновения заряженных частиц падающего потока с поверхностью и отражение их в газовую среду, вторичная бомбардировка поверхности, включая возможность вышеперечисленных процессов, характерных для частиц определенного вида и энергии;

– ударная имплантация частиц газовой среды и проникновение их и частиц компонентов поверхности под действием падающего потока в глубину поверхностного слоя с образованием твердых растворов;

– резонансная перезарядка на металле с диссоциативной рекомбинацией молекулярного иона диффузанта и созданием диффундида.

Принципы энергетической модели позволяют формулировать факторы влияния на процесс АТР, включая конечные результаты, а также прогнозировать оптимальные характеристики технологических режимов.

Анализ процессов взаимодействия плазмы с поверхностью показывает, что для увеличения эффективности ионного азотирования необходимо увеличить плотность ионного потока. Это возможно либо при использовании специальных источников ионов (в этом случае область рабочего давления составляет не более 1 Па), либо используя эффект полого катода при азотировании в тлеющем разряде для увеличения степени ионизации вблизи обрабатываемой поверхности. Практически любую поверхность изделия, которую следует упрочнить ионным азотированием, можно сделать частью полого катода с помощью экрана (сетки).

Дата добавления: 2017-02-01