离子注入技术课件

1、离子注入技术本文结构：1.引言2.离子注入技术的原理、 特点3.离子注入技术的新发展及应用4.展望1.引言 现代科技的高速发展,对金属材料表面性能(抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳等)的要求日益提高,特别是高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求,广泛采用最近发展的金属表面处理技术及工艺(抛光、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、汽相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术)虽然在各自领域发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和局限性,因而使得离子注入技术应运而生。 20世纪70年代,离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。它是把工

2、件(金属,合金,陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中,通过加高电压,把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。材料经离子注入后,在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤,从而使材料的物理化学性能发生显著变化。 大量实验证实,离子注入能使金属和合金的摩擦因素,耐磨性,抗氧化性,抗腐蚀性,耐疲劳性以及某些材料的超导性能,催化性能,光学性能等发生显著变化,能够大大提高材料的性能和使用寿命。离子注入在工业中应用能取得很好的效益,除延长工件的使用寿命外,还由于离子注入仅用较少量的合金元素,就可以得到较高的表面合金浓度,因而可以节约贵重金属。 离子注入早期研究的是对金属材料的磨擦和显微硬度的影响,后来转

3、向对金属滑动性能的研究,其结果都成功地实现了工业应用。近30年来,在微处理机和计算机存储器的集成电路基片生产中，离子射入表面的离子注入已经是半导体材料（硅片）的一种标准掺杂方法。离子注入方法的可靠性、可控制性和重复性使得这项工艺成为半导体工业的支柱。近十几年来，离子注入在金属和半导体材料的研究和应用发展迅速并且已扩展到绝缘材料和聚合物方面。2.离子注入技术的原理、 特点2.1 离子注入技术的原理 离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，大约在10-

4、11s内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域（如图1所示）。这所谓碰撞级联虽然不能完全理解为一个热过程，但经常看成是一个热能很集中的峰。一个带有100keV能量的离子通常在其能量耗尽并停留之前，可进入到数百到数千原子层。当材料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位置，而留下一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在表面下建立了富集注入元素并具有损伤的表层。离子和损伤的分布大体为高斯分布。 整个阻止过程的时间仅用10-11s，位移原子的停留也是2.2 离子注入的特点 与通常的冶金方法不同,离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的,因而有其特点: (1)离子注入是一个非热平衡过程,注

5、入离子的能量很高,可以高出热平衡能量的23个数量级。因此,原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。 (2)注入元素的种类,能量,剂量均可选择,用这种方法形成的表面合金,不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制,即可得到用其他方法难以获得的新合金相。 (3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面,因此表面不存在粘附破裂或剥落问题,与基体结合牢固。 (4)离子注入可以通过控制注入剂量,注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。 (5)离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别适合于高精密部件的最后工序。 (6)可以在工件表

6、面层形成压应力,减少表面裂纹。 (7)采用清洁的高真空和无毒的工艺和材料，处理温度低，待处理材料的整体性能不受影响。 (8)由于注入仅达表面区域，可节约昂贵材料或战略材料。2. 氮注入机，只能产生气体束流（几乎只出氮)。主要用于工具的注入。其优点如下： a.操作维修简单。 b.束流高。 c.可以制成巨型的机器。缺点是： a.束流均匀性一般较差（但通常可满足工具的处理）。 b.离子束组分的相对分量不稳定，且其能量和剂量也不能确定。 c.因为离子源一般靠近靶室，在处理过程中靶室压强较高，会使处理表面氧化。 d.处理复杂形状时要求工件翻转。3. 等离子源注入机(PIII) PIII 装置（图3）不是

7、由离子源中产生的离子束射向分离靶室中的工件上，而是离子源环绕着工件。其做法是在靶室中产生等离子体，因此等离子体是环绕着注入工件的。这样就没有了直射性的限制。其优点如下： a.简单，成本低。勿需产生和控制离子束，只需运行真空系统。 b.不需工件的转动和扫描。 c.垂直入射注入。 d.高束流覆盖整个表面，故可忽略强离子束扫描引起的局部受热问题。缺点是： a.任何等离子体的不均匀性将引起不均匀注入。 b.离子能量受限制。 c.存在与靶室中所有离子均会注入，剂量和能量不易确定。 d.电流脉冲的效果尚无大量资料确证。其它类型注入机 目前还研制出了金属蒸发真空电弧离子源（MEVVA），它是在注入元素组成的

8、电极表面引燃电弧而产生离子束的，它解决了固体元素直接注入这一难题。 这个领域还在不断的发展中，必将会有许多新的仪器与设备涌现出来。 因此, PIII消除了CBII所存在缺点。同时又因为离子注入过程是包含负高压脉冲间隔,工件表面与等离子之间的鞘层电位形成的低能离子沉积和负高压脉冲持续期间的高能离子注入的过程的混合,对某些材料的改性和沉积成膜具有CBII处理达不倒的改性效果。因此PIII 技术因其设备结构简单、价格较低和独特的优点而受到工业界的密切观注。3.1等离子体基离子注入技术特点 为了克服用于金属材料表面改性的离子注人技术存在的视线加工性，改性层浅，设备造价较高及工艺费用昂贵等缺点，1987

9、年J.R.Conrad等发明了“等离子体源离子注人”(PSII)技术。PSII是一种从四面八方对工件进行离子注人的全新技术。此后，1988年J.Tendys等建立了“等离子体湮没离子注人”(PIII)技术。PIII与PSII的主要区别除了所用的等离子体类型及其特性不同以外，PIII还将离子注入与热扩散相结合，利用离子轰击造成的基片升温促进注人粒子的向内扩散，从而增加离子注人改性层的深度。 PSII和PIII统称为等离子体基离子注人(PBII)。PBII技术有下列优点: (1)PBII是非视线加工技术。 (2)PBII不需要专门的离子源，而且由于它的非视线加工特性，省略了束线扫描和样品台转动等系

10、统，使设备简单化。 (3)PBII降低了工件的溅射，没有保持剂量的问题。 (4)可批量处理和处理大尺寸工件，具有更大的产业化发展潜力。1低能化 近几年来，为克服常规离子注入改性层浅的缺点，低能离子注人技术迅速发展。低能离子注人是采用能量在1keV左右的离子注人温度升高到200一500的金属材料表面，在注人的同时进行热扩散，从而达到增加注人改性层深度的目的。降低PBII的脉冲负偏压，吸取低能离子注人的优点，发展低能PBII技术是解决PBII存在问题的可行方法之一。 采用常规离子注人的离子束增强沉积(IBED)技术，已经向大功率的低能离子源过渡，以制备大面积高质量的薄膜材料。低能IBED薄膜的结构

11、和性能与高能IBED相似，都能够在薄膜与基体之间形成数十纳米厚的过渡层。因此，低能PBII结合IBED技术同样可能获得性能优异的薄膜改性层。2高效率 为了提高PBII的效率，改善PBII的工作稳定性，应选用特性更为优异的等离子体。通常材料表面改性采用的低气压直流等离子体、射频等离子体和微波等离子体中，电子回旋共振(ECR)微波等离子体具有高的等离子体密度、电子温度和离化率。将ECR微波等离子体源用于PBII工艺表现出优于直流和射频PBII工艺的性质。所以应当利用和开发大面积的特性优异的微波等离子体源，如ECR微波等离子体源。3多功能组合化 由于PBII是在等离子体环境下实现的离子注人过程，从而

12、能够方便地将同样需要在等离子体环境下进行的表面改性技术组合起来。多种技术的组合使PBII实现多功能化，一方面复合的工艺可以更大程度地满足各种不同表面改性的需求，提高这项技术的适用性;另一方面通过PBII IBED等复合处理，制备金属、陶瓷等薄膜改性层，弥补金属原子难以低能注人和PSII深度仍然有限等缺陷。从低能PBIIIBED人手开展沉积薄膜改性层的研究，有可能成为PBII技术的一个有潜力的发展方向。3.3 离子注入技术的应用 前期PIII应用研究主要是氮离子对金属材料表面进行处理,由于TiN,CrN超硬层的形成,样品表面的耐磨性能获得显著改进。但不含Ti、Cr、V等元素或其含量很底的金属及合

13、金,氮离子注入仍不能取得显著效果。1991年金属蒸气真空电弧(MEVVA)等离子体源用于金属材料表面改性,取得很好的效果,拓宽材料表面的改性领域,使离子注入种类由各种气态离子扩展为元素周期所有元素的离子,这些技术的发展极大地扩展离子注入技术的应用领域,下面将系统介绍PIII技术在现代材料表面改性中的应用及发展。1.PIII在金属表面改性应用(1)提高硬度对Cr12MoV、Ti6A14V、W18CCr4V、材料进行PIII处理后,表面硬度进行测试,结果如表1所示,可见处理后材料表面显微硬度增加,其增加值达到42%88%。(2)改变材料的磨损与腐蚀特性 西南物理研究院在PIII装置上对航空液压系统

14、的关键部件-配油摩擦付进行的等离子注入获得成功:使歼击机液压泵配油盘在提高转速15%的加速试验条件下,经100h台架试验考核,与未处理比较,单位磨损行程回油量的增长率(表征摩擦磨损率)下降了15.8倍,使歼击机液压泵配油盘由处理前的400h的试验回油量5.63L(失效判据为5L)延长到处理后的1050h、1.42L,使该产品的寿命超过国际同类水平。2. PIII在半导体上应用 PIII在半导体上应用主要在这几方面,SOI材料制备方面:利用离子注入其能量与效率高,均匀性好,可以大面积同时注入而与硅片尺寸无关的特点制备SOI 。通过向一块硅片(施主硅片)中注入氢或氦离子,从而在表面下形成一层25n

15、m厚损伤层。再将其与另外一硅片(受主硅片)键合在一起,由于两硅片中至少有一块表面被氧化,因而在键和界面处形成一嵌埋氧化层。经高温退火,注入的氢/氦逐渐聚合成极少气泡并相互渗透,气泡内巨大的压力最终使旋主硅片从损伤层处断开,一层硅膜和氧化层被剥离而附着在受主硅片表面,经过此离子切割过程后,即可得到优质SOI片。 在半导体中用PIII技术形成浅结的方法也已被实现,形成结深极浅(小于100nm)的P/N结是深亚微米CMOS技术中的关键所在。在常规离子注入过程中,用BF2离子束对Si片进行非晶化预处理(以减轻沟效应的影响)以及掺杂,但由于这二个过程均涉及及很大的注入剂量,因此成本昂贵,且极耗时间,利用

16、PIII其剂量率很高,因而是浅结制备的理想手段。3. 生物材料改性及生物效应的影响方面 利用核工业西南物理研究院全方位离子注入装置 (剂量31017cm3 ,电压50kV,频率200Hz,试样温度200300,脉宽25s,对Ti6A14V材料进行氮离子注入,注入后,Ti6A14V的生物相容性有明显改善,图4为几种不同材料的血时间关系曲线,由图可见经PIII 处理后的血液相容性大幅度提高超过了目前国际公认的血液最好的生物材料热解碳(LTIC)的水平。上海纺大吴迈萍等人利用PIII技术对豌豆类植物等进行离子注入处理,用Ar+注入种子后,发现极大地改变了生物的表面形态、颜色、生长规律及染色体的数量。

17、4.2离子束辅助沉积技术 为了弥补注入层较浅的弱点,把离子注入与膜层沉积过程结合起来,形成了离子束辅助沉积技术(IBAD),又称为离子束增强沉积(IBED)、离子束辅助镀膜(IAC)、动态离子共混(DIM)。 IBAD技术使离子注入与薄膜沉积融为一体,能对表面材料的成份、组织结构进行控制,从而制备出新型结构材料和功能材料。4.3等离子体源离子注入技术 为了克服注入离子直射性的限制,1987年,美国Wisconsin大学的Conrad.J.R教授等提出了等离子体源离子注入技术(Plasma Source Ion Implantation,PSII) 。与标准的离子注入方法不同, PSII装置不是

18、由离子源产生高能离子束射向靶室中的工件上,而是离子源环绕着工件,使工件“浸泡”在等离子体中。这种离子注入是全方位的,没有直射性的缺点。在PSII装置中也可以实现离子混合注入(即IBAD)。 PSII技术已显示出很多优点,是离子注入技术的重大突破。图1 原子间的级联碰撞表1 各种材料经离子注入处理前、后显微硬度图3 PIII注入机示意图图4 各种材料的凝血时间曲线参考文献：1T.S.SUDARSHAN著,范玉殿等译.表面改性技术M.北京.清华大学出版社,1992.3.2雷明凯.等离子体基低能离子注入技术的研究与发展J.真空科学与技术,1999,19(4).3王钧石,陈元儒,白彬.等离子浸没式注入表面改性J.金属热处理,1999,11.4张通和.先进的离子束技术和材料改性J.物理实验,2001,21(4).5陈勇军,史庆南,左孝青,王茗,吴新光.金属表面改性-离子注入技术的发展与应用J.表面技术,2003,32(6).6王茗,史庆南,陈勇军.离子注入材料表面改性的研究进展 J.云南冶金,2003,32(2).7王钧石, 柳襄怀, 王曦, 陈元儒.等离子体源离子注入表面改性研究及应用J.材