離子注入技術(shù)課件

1、離子注入技術(shù)本文結(jié)構(gòu)：1.引言2.離子注入技術(shù)的原理、 特點(diǎn)3.離子注入技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用4.展望1.引言 現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,對(duì)金屬材料表面性能(抗磨損、抗腐蝕、抗疲勞等)的要求日益提高,特別是高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高壽命、耐高溫、低損耗金屬零部件的迫切需求,廣泛采用最近發(fā)展的金屬表面處理技術(shù)及工藝(拋光、電刷鍍、化學(xué)鍍復(fù)合鍍層、熱噴涂、激光表面強(qiáng)化、汽相沉積、等離子體滲氮、滲碳、滲硼及金屬修補(bǔ)膠和薄膜性保護(hù)技術(shù))雖然在各自領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,但都存在一定的缺點(diǎn)和局限性,因而使得離子注入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 20世紀(jì)70年代,離子注入應(yīng)用于材料表面改性并逐漸發(fā)展成一種新穎有效的材料表面改性方法。它是把工

2、件(金屬,合金,陶瓷等)放在離子注入機(jī)的真空靶室中,通過(guò)加高電壓,把所需元素的離子注入到工件表層的一種工藝。材料經(jīng)離子注入后,在其零點(diǎn)幾微米的表層中增加注入元素和輻照損傷,從而使材料的物理化學(xué)性能發(fā)生顯著變化。 大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),離子注入能使金屬和合金的摩擦因素,耐磨性,抗氧化性,抗腐蝕性,耐疲勞性以及某些材料的超導(dǎo)性能,催化性能,光學(xué)性能等發(fā)生顯著變化,能夠大大提高材料的性能和使用壽命。離子注入在工業(yè)中應(yīng)用能取得很好的效益,除延長(zhǎng)工件的使用壽命外,還由于離子注入僅用較少量的合金元素,就可以得到較高的表面合金濃度,因而可以節(jié)約貴重金屬。 離子注入早期研究的是對(duì)金屬材料的磨擦和顯微硬度的影響,后來(lái)轉(zhuǎn)

3、向?qū)饘倩瑒?dòng)性能的研究,其結(jié)果都成功地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。近30年來(lái),在微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的集成電路基片生產(chǎn)中，離子射入表面的離子注入已經(jīng)是半導(dǎo)體材料（硅片）的一種標(biāo)準(zhǔn)摻雜方法。離子注入方法的可靠性、可控制性和重復(fù)性使得這項(xiàng)工藝成為半導(dǎo)體工業(yè)的支柱。近十幾年來(lái)，離子注入在金屬和半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速并且已擴(kuò)展到絕緣材料和聚合物方面。2.離子注入技術(shù)的原理、 特點(diǎn)2.1 離子注入技術(shù)的原理 離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)加速后高速射向材料表面，當(dāng)離子進(jìn)入表面，將與固體中的原子碰撞，將其擠進(jìn)內(nèi)部，并在其射程前后和側(cè)面激發(fā)出一個(gè)尾跡。這些撞離原子再與其它原子碰撞，后者再繼續(xù)下去，大約在10-

4、11s內(nèi)，材料中將建立一個(gè)有數(shù)百個(gè)間隙原子和空位的區(qū)域（如圖1所示）。這所謂碰撞級(jí)聯(lián)雖然不能完全理解為一個(gè)熱過(guò)程，但經(jīng)?？闯墒且粋€(gè)熱能很集中的峰。一個(gè)帶有100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之前，可進(jìn)入到數(shù)百到數(shù)千原子層。當(dāng)材料回復(fù)到平衡，大多數(shù)原子回到正常的點(diǎn)陣位置，而留下一些“凍結(jié)”的空位和間隙原子。這一過(guò)程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表層。離子和損傷的分布大體為高斯分布。 整個(gè)阻止過(guò)程的時(shí)間僅用10-11s，位移原子的停留也是2.2 離子注入的特點(diǎn) 與通常的冶金方法不同,離子注入是用高能量的離子注入來(lái)獲得表面合金層的,因而有其特點(diǎn): (1)離子注入是一個(gè)非熱平衡過(guò)程,注

5、入離子的能量很高,可以高出熱平衡能量的23個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,原則上周期表中的任何元素都可以注入任何基體材料。 (2)注入元素的種類,能量,劑量均可選擇,用這種方法形成的表面合金,不受擴(kuò)散和溶解度的經(jīng)典熱力學(xué)參數(shù)的限制,即可得到用其他方法難以獲得的新合金相。 (3)離子注入層相對(duì)基體材料沒(méi)有明顯的界面,因此表面不存在粘附破裂或剝落問(wèn)題,與基體結(jié)合牢固。 (4)離子注入可以通過(guò)控制注入劑量,注入能量及束流密度來(lái)精確控制注入離子的濃度和深度的分布。 (5)離子注入一般是在常溫真空中進(jìn)行,加工后的工件表面無(wú)形變,無(wú)氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特別適合于高精密部件的最后工序。 (6)可以在工件表

6、面層形成壓應(yīng)力,減少表面裂紋。 (7)采用清潔的高真空和無(wú)毒的工藝和材料，處理溫度低，待處理材料的整體性能不受影響。 (8)由于注入僅達(dá)表面區(qū)域，可節(jié)約昂貴材料或戰(zhàn)略材料。2. 氮注入機(jī)，只能產(chǎn)生氣體束流（幾乎只出氮)。主要用于工具的注入。其優(yōu)點(diǎn)如下： a.操作維修簡(jiǎn)單。 b.束流高。 c.可以制成巨型的機(jī)器。缺點(diǎn)是： a.束流均勻性一般較差（但通?？蓾M足工具的處理）。 b.離子束組分的相對(duì)分量不穩(wěn)定，且其能量和劑量也不能確定。 c.因?yàn)殡x子源一般靠近靶室，在處理過(guò)程中靶室壓強(qiáng)較高，會(huì)使處理表面氧化。 d.處理復(fù)雜形狀時(shí)要求工件翻轉(zhuǎn)。3. 等離子源注入機(jī)(PIII) PIII 裝置（圖3）不是

7、由離子源中產(chǎn)生的離子束射向分離靶室中的工件上，而是離子源環(huán)繞著工件。其做法是在靶室中產(chǎn)生等離子體，因此等離子體是環(huán)繞著注入工件的。這樣就沒(méi)有了直射性的限制。其優(yōu)點(diǎn)如下： a.簡(jiǎn)單，成本低。勿需產(chǎn)生和控制離子束，只需運(yùn)行真空系統(tǒng)。 b.不需工件的轉(zhuǎn)動(dòng)和掃描。 c.垂直入射注入。 d.高束流覆蓋整個(gè)表面，故可忽略強(qiáng)離子束掃描引起的局部受熱問(wèn)題。缺點(diǎn)是： a.任何等離子體的不均勻性將引起不均勻注入。 b.離子能量受限制。 c.存在與靶室中所有離子均會(huì)注入，劑量和能量不易確定。 d.電流脈沖的效果尚無(wú)大量資料確證。其它類型注入機(jī) 目前還研制出了金屬蒸發(fā)真空電弧離子源（MEVVA），它是在注入元素組成的

8、電極表面引燃電弧而產(chǎn)生離子束的，它解決了固體元素直接注入這一難題。 這個(gè)領(lǐng)域還在不斷的發(fā)展中，必將會(huì)有許多新的儀器與設(shè)備涌現(xiàn)出來(lái)。 因此, PIII消除了CBII所存在缺點(diǎn)。同時(shí)又因?yàn)殡x子注入過(guò)程是包含負(fù)高壓脈沖間隔,工件表面與等離子之間的鞘層電位形成的低能離子沉積和負(fù)高壓脈沖持續(xù)期間的高能離子注入的過(guò)程的混合,對(duì)某些材料的改性和沉積成膜具有CBII處理達(dá)不倒的改性效果。因此PIII 技術(shù)因其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到工業(yè)界的密切觀注。3.1等離子體基離子注入技術(shù)特點(diǎn) 為了克服用于金屬材料表面改性的離子注人技術(shù)存在的視線加工性，改性層淺，設(shè)備造價(jià)較高及工藝費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)，1987

9、年J.R.Conrad等發(fā)明了“等離子體源離子注人”(PSII)技術(shù)。PSII是一種從四面八方對(duì)工件進(jìn)行離子注人的全新技術(shù)。此后，1988年J.Tendys等建立了“等離子體湮沒(méi)離子注人”(PIII)技術(shù)。PIII與PSII的主要區(qū)別除了所用的等離子體類型及其特性不同以外，PIII還將離子注入與熱擴(kuò)散相結(jié)合，利用離子轟擊造成的基片升溫促進(jìn)注人粒子的向內(nèi)擴(kuò)散，從而增加離子注人改性層的深度。 PSII和PIII統(tǒng)稱為等離子體基離子注人(PBII)。PBII技術(shù)有下列優(yōu)點(diǎn): (1)PBII是非視線加工技術(shù)。 (2)PBII不需要專門的離子源，而且由于它的非視線加工特性，省略了束線掃描和樣品臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)等系

10、統(tǒng)，使設(shè)備簡(jiǎn)單化。 (3)PBII降低了工件的濺射，沒(méi)有保持劑量的問(wèn)題。 (4)可批量處理和處理大尺寸工件，具有更大的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿Α?低能化 近幾年來(lái)，為克服常規(guī)離子注入改性層淺的缺點(diǎn)，低能離子注人技術(shù)迅速發(fā)展。低能離子注人是采用能量在1keV左右的離子注人溫度升高到200一500的金屬材料表面，在注人的同時(shí)進(jìn)行熱擴(kuò)散，從而達(dá)到增加注人改性層深度的目的。降低PBII的脈沖負(fù)偏壓，吸取低能離子注人的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展低能PBII技術(shù)是解決PBII存在問(wèn)題的可行方法之一。 采用常規(guī)離子注人的離子束增強(qiáng)沉積(IBED)技術(shù)，已經(jīng)向大功率的低能離子源過(guò)渡，以制備大面積高質(zhì)量的薄膜材料。低能IBED薄膜的結(jié)構(gòu)

11、和性能與高能IBED相似，都能夠在薄膜與基體之間形成數(shù)十納米厚的過(guò)渡層。因此，低能PBII結(jié)合IBED技術(shù)同樣可能獲得性能優(yōu)異的薄膜改性層。2高效率 為了提高PBII的效率，改善PBII的工作穩(wěn)定性，應(yīng)選用特性更為優(yōu)異的等離子體。通常材料表面改性采用的低氣壓直流等離子體、射頻等離子體和微波等離子體中，電子回旋共振(ECR)微波等離子體具有高的等離子體密度、電子溫度和離化率。將ECR微波等離子體源用于PBII工藝表現(xiàn)出優(yōu)于直流和射頻PBII工藝的性質(zhì)。所以應(yīng)當(dāng)利用和開發(fā)大面積的特性優(yōu)異的微波等離子體源，如ECR微波等離子體源。3多功能組合化 由于PBII是在等離子體環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的離子注人過(guò)程，從而

12、能夠方便地將同樣需要在等離子體環(huán)境下進(jìn)行的表面改性技術(shù)組合起來(lái)。多種技術(shù)的組合使PBII實(shí)現(xiàn)多功能化，一方面復(fù)合的工藝可以更大程度地滿足各種不同表面改性的需求，提高這項(xiàng)技術(shù)的適用性;另一方面通過(guò)PBII IBED等復(fù)合處理，制備金屬、陶瓷等薄膜改性層，彌補(bǔ)金屬原子難以低能注人和PSII深度仍然有限等缺陷。從低能PBIIIBED人手開展沉積薄膜改性層的研究，有可能成為PBII技術(shù)的一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。3.3 離子注入技術(shù)的應(yīng)用 前期PIII應(yīng)用研究主要是氮離子對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理,由于TiN,CrN超硬層的形成,樣品表面的耐磨性能獲得顯著改進(jìn)。但不含Ti、Cr、V等元素或其含量很底的金屬及合

13、金,氮離子注入仍不能取得顯著效果。1991年金屬蒸氣真空電弧(MEVVA)等離子體源用于金屬材料表面改性,取得很好的效果,拓寬材料表面的改性領(lǐng)域,使離子注入種類由各種氣態(tài)離子擴(kuò)展為元素周期所有元素的離子,這些技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展離子注入技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,下面將系統(tǒng)介紹PIII技術(shù)在現(xiàn)代材料表面改性中的應(yīng)用及發(fā)展。1.PIII在金屬表面改性應(yīng)用(1)提高硬度對(duì)Cr12MoV、Ti6A14V、W18CCr4V、材料進(jìn)行PIII處理后,表面硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)處理后材料表面顯微硬度增加,其增加值達(dá)到42%88%。(2)改變材料的磨損與腐蝕特性 西南物理研究院在PIII裝置上對(duì)航空液壓系統(tǒng)

14、的關(guān)鍵部件-配油摩擦付進(jìn)行的等離子注入獲得成功:使殲擊機(jī)液壓泵配油盤在提高轉(zhuǎn)速15%的加速試驗(yàn)條件下,經(jīng)100h臺(tái)架試驗(yàn)考核,與未處理比較,單位磨損行程回油量的增長(zhǎng)率(表征摩擦磨損率)下降了15.8倍,使殲擊機(jī)液壓泵配油盤由處理前的400h的試驗(yàn)回油量5.63L(失效判據(jù)為5L)延長(zhǎng)到處理后的1050h、1.42L,使該產(chǎn)品的壽命超過(guò)國(guó)際同類水平。2. PIII在半導(dǎo)體上應(yīng)用 PIII在半導(dǎo)體上應(yīng)用主要在這幾方面,SOI材料制備方面:利用離子注入其能量與效率高,均勻性好,可以大面積同時(shí)注入而與硅片尺寸無(wú)關(guān)的特點(diǎn)制備SOI 。通過(guò)向一塊硅片(施主硅片)中注入氫或氦離子,從而在表面下形成一層25n

15、m厚損傷層。再將其與另外一硅片(受主硅片)鍵合在一起,由于兩硅片中至少有一塊表面被氧化,因而在鍵和界面處形成一嵌埋氧化層。經(jīng)高溫退火,注入的氫/氦逐漸聚合成極少氣泡并相互滲透,氣泡內(nèi)巨大的壓力最終使旋主硅片從損傷層處斷開,一層硅膜和氧化層被剝離而附著在受主硅片表面,經(jīng)過(guò)此離子切割過(guò)程后,即可得到優(yōu)質(zhì)SOI片。 在半導(dǎo)體中用PIII技術(shù)形成淺結(jié)的方法也已被實(shí)現(xiàn),形成結(jié)深極淺(小于100nm)的P/N結(jié)是深亞微米CMOS技術(shù)中的關(guān)鍵所在。在常規(guī)離子注入過(guò)程中,用BF2離子束對(duì)Si片進(jìn)行非晶化預(yù)處理(以減輕溝效應(yīng)的影響)以及摻雜,但由于這二個(gè)過(guò)程均涉及及很大的注入劑量,因此成本昂貴,且極耗時(shí)間,利用

16、PIII其劑量率很高,因而是淺結(jié)制備的理想手段。3. 生物材料改性及生物效應(yīng)的影響方面 利用核工業(yè)西南物理研究院全方位離子注入裝置 (劑量31017cm3 ,電壓50kV,頻率200Hz,試樣溫度200300,脈寬25s,對(duì)Ti6A14V材料進(jìn)行氮離子注入,注入后,Ti6A14V的生物相容性有明顯改善,圖4為幾種不同材料的血時(shí)間關(guān)系曲線,由圖可見(jiàn)經(jīng)PIII 處理后的血液相容性大幅度提高超過(guò)了目前國(guó)際公認(rèn)的血液最好的生物材料熱解碳(LTIC)的水平。上海紡大吳邁萍等人利用PIII技術(shù)對(duì)豌豆類植物等進(jìn)行離子注入處理,用Ar+注入種子后,發(fā)現(xiàn)極大地改變了生物的表面形態(tài)、顏色、生長(zhǎng)規(guī)律及染色體的數(shù)量。

17、4.2離子束輔助沉積技術(shù) 為了彌補(bǔ)注入層較淺的弱點(diǎn),把離子注入與膜層沉積過(guò)程結(jié)合起來(lái),形成了離子束輔助沉積技術(shù)(IBAD),又稱為離子束增強(qiáng)沉積(IBED)、離子束輔助鍍膜(IAC)、動(dòng)態(tài)離子共混(DIM)。 IBAD技術(shù)使離子注入與薄膜沉積融為一體,能對(duì)表面材料的成份、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制,從而制備出新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料。4.3等離子體源離子注入技術(shù) 為了克服注入離子直射性的限制,1987年,美國(guó)Wisconsin大學(xué)的Conrad.J.R教授等提出了等離子體源離子注入技術(shù)(Plasma Source Ion Implantation,PSII) 。與標(biāo)準(zhǔn)的離子注入方法不同, PSII裝置不是

18、由離子源產(chǎn)生高能離子束射向靶室中的工件上,而是離子源環(huán)繞著工件,使工件“浸泡”在等離子體中。這種離子注入是全方位的,沒(méi)有直射性的缺點(diǎn)。在PSII裝置中也可以實(shí)現(xiàn)離子混合注入(即IBAD)。 PSII技術(shù)已顯示出很多優(yōu)點(diǎn),是離子注入技術(shù)的重大突破。圖1 原子間的級(jí)聯(lián)碰撞表1 各種材料經(jīng)離子注入處理前、后顯微硬度圖3 PIII注入機(jī)示意圖圖4 各種材料的凝血時(shí)間曲線參考文獻(xiàn)：1T.S.SUDARSHAN著,范玉殿等譯.表面改性技術(shù)M.北京.清華大學(xué)出版社,1992.3.2雷明凱.等離子體基低能離子注入技術(shù)的研究與發(fā)展J.真空科學(xué)與技術(shù),1999,19(4).3王鈞石,陳元儒,白彬.等離子浸沒(méi)式注入表面改性J.金屬熱處理,1999,11.4張通和.先進(jìn)的離子束技術(shù)和材料改性J.物理實(shí)驗(yàn),2001,21(4).5陳勇軍,史慶南,左孝青,王茗,吳新光.金屬表面改性-離子注入技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J.表面技術(shù),2003,32(6).6王茗,史慶南,陳勇軍.離子注入材料表面改性的研究進(jìn)展 J.云南冶金,2003,32(2).7王鈞石, 柳襄懷, 王曦, 陳元儒.等離子體源離子注入表面改性研究及應(yīng)用J.材