离子注入技术

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10-11s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在相近时间内完成的，所以全过程很像发生在长约0.1μm和直径为0.02μm

的圆柱材料总的快速加热与淬火。离子注入处理的这种快速加热－淬火与新原子注入材料中相结合，其结果可产生一些独特的性能。

离子注入的深度是离子能量和质量以及基体原子质量的函数。能量愈高，注入愈深。一般情况下，离子越轻活基体原子越轻，注入越深。一旦到达表面，离子本身就被中和，并成为材料的整体部分，所以注入层不会像常规那样有可能脱落或剥离。注入的离子能够与固体原子，或者彼此之间，甚至与真空室内的残余气体化合生成常规合金或化合物。由于注入时高能离子束提供反应后的驱动力，故有可能在注入材料中形成常规热力学方式不能获得的亚稳态或“非平衡态”化合物这就可能使一种元素的添加量远远超过正常热溶解的数量。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,注入离子的能量很高,可以高出热平衡能量的2～3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。2.3

离子注入设备和方法

最简单的离子注入机（图2）应包括一个产生离子的离子源和放置待处理物件的靶室。当前主要有以下几种类型的注入机：1.质量分析注入机，能注入任何元素。它有如下优点：

a.能产生任何元素的离子。

b.能产生纯的单能离子束，对目的明确的开发研究特别有利。

c.能很准确地确定处理参数。

d.靶室压强低，可限制污染。

e.离子束能量变化范围很宽。缺点是：

a.束流一般较小。

b.机器昂贵且复杂，需专门人员操作和维修。

c.处理复杂形状时，要求样品翻转。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。3.离子注入技术的新发展及应用

传统的离子注入技术(CBII)虽然具有处理温度低,工件变形小,基体不易在处理过程中产生回火软化等优点。但CBII致命的缺点是注入过程是一个视线过程,只有暴露在离子枪口下的工件表面才能被离子注入,对于工件中需要表面改性的内表面、沟槽表面等,离子束则难以达到;并且一次只能注入一个工件,注入效率低,设备复杂昂贵。这些缺点大大限制了离子注入的应用范围。等离子体浸没离子注入(PIII)是一种非视线的表面改性新技术,最初由美国威斯康星大学J.R.Conrad教授和他的同事们提出的。并被称为等离子体源离子注入(PSII)。近几年常被称为等离子体浸没离子注入(PIII),在PIII过程中,靶直接被浸泡在等离子体源中,在对样品加上负高压脉冲,离子在等离子体同样品的表面间形成的离子鞘层中被加速,并从各个方面同时垂直注入样品表面。

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。3.2等离子体基离子注入技术存在的问题及解决对策

随着PBII技术在世界范围的研究和发展，真空处理室体积和高压脉冲电源功率都有较大的增加，应用的范围也在扩展。同时这项技术存在的问题也日趋突出。3.2.1等离子体基离子注入技术存在的问题

(1)由于PBII采用直接施加于工件的高压脉冲负偏压，二次电子发射造成了设备功率的巨大浪费。同时二次电子也带来强烈的X射线辐射。

(2)尽管PBII省略了专门的离子源，但是大功率的高压脉冲电源同样是造价昂贵，影响它的设备及工艺成本。

(3)变化范围较大的鞘层影响表面注人的均匀性，使形状复杂工件，如小孔的处理仍然受限。

(4)缺乏适用于较大规模设备的品质优异和稳定性好的等离子体源。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PBII－IBED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