表面改性的离子束技术

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1、xxx 表面改性的离子束技术 0 离子注入式在加速器中以几万到几十万伏电压作用 加速 一种或几种元素的离子束流 将所需元素注入放在真空靶室的 固体材料中 使零点几微米表层中添加注入的元素含量 称为 离子注入 离子注入的同时将造成辐射损伤以及原子环境和电 子组态的扰动 而导致材料物理性能 化学性能或力学性能变 化 因而这种表面强化技术也称为冲击硬化 目录 离子束技术的发展 离子注入的基本原理 离子注入工艺与方法 离子束技术的优点及其局限性 离子束技术固体作用的基本物理过程 离子注入技术展望 离子注入技术应用 离子注入技术的新进展 离子束技术的发展 01 离子束技术的发展 离子注入的基本原理 离子

2、注入工艺与方法 离子束技术的优点及其局限性 离子束技术固体作用的基本物理过程 离子注入技术展望 离子注入技术应用 离子注入技术的新进展 1 193019501970199020102030 近20年 对于离子注入的物理理论 离子 注入装置以及离子注入应用等方面的研究 都取得了很大的发展 30年代 离子束技术被作为一种辐照的手 段 用来模拟核反应堆材料中的辐射损 伤 随后 离子束技术被作为掺杂手段来 改变固体表面层的性质 60年代初 离子注入的核粒子探测器的 研制成功 奠定了离子注入在半导体 金属 磁性材料 绝缘体和超导材料中 应用的基础 近10年来 离子注入在金属和半导体材 料的研究和应用发展

3、迅速 并且已扩展 到绝缘材料和聚合物方面 自60年代以来 英国就把离子注入材料改性 的研究列为国家重点科研项目 1983年美国国防部就组织各研究部门 和高校利用离子束技术改善武器装备 关键部件 离子束是三束 离子束 电子束 激光 束 工艺中对材料表面改性最具有应用 价值的一种 美国和英国的此项工艺进 展最快 INDEXINDEX 02 离子束技术的优点及其 局限性 离子束技术的发展 离子注入的基本原理 离子注入工艺与方法 离子束技术的优点及其局限性 离子束技术固体作用的基本物理过程 离子注入技术展望 离子注入技术应用 离子注入技术的新进展 2 离子束与传统冶金法相比具有以下优点 1 离子注入是

4、一个非热平衡过程 注入离子靠高的能量撞进金属晶格内 因而不受热力学平衡控制 因此 原则上任何元素都可以注入任何集体材料 中 2 离子注入可以在常温或低温真空条件下进行 加工后的表面无形变 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 3 注入元素的种类 能量 剂量均可选择和控制 用这种方法形成的表面 合金 由于不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制 可得到用其他方法 难以获得的新合金相 4 离子注入层相对基体材料没有明显的界面 因此注入层不存在粘附破裂 或剥落问题 与基体结合牢固 5 注入离子的浓度和深度的分布可以通过注入剂量 注入能量及束流密度 来精确控制 6

5、离子注入可有选择地改变基体材料的表面能量 湿润性 在工件表面 层形成压应力 来减少表面裂纹 离子注入技术与等离子喷涂 化学和物理气相沉积 电子束和激 光束热处理等表面处理工艺相比 具有如下优点 1 注入的元素可以任意选取 被注基材不受限制 根据工艺要求可取各种 金属和气体作为工作物质 各种金属和非金属都可作为添加元素 2 不受传统合金化规则等物理冶金因素的约束 无需改变材料的整体特性 就可有选择地改变材料的表面特性 3 可以忽略横向扩散 特别适合于尺寸很大但只需局部改性的工件 4 注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制 不受扩散系数和化 合结合力的影响 5 强流氮和强流金属离子束的束流强

6、度可达5 50mA 提高了注入效率 适 用于工业应用 6 离子注入不改变工件尺寸 不改变原有的外廓尺寸精度和表面粗糙度特 别适合于精密机械零件的表面处理 如应用在航空 航天等工业 7 离子束增强沉积可获得厚度大于1 m的改性层或超硬层 适于恶劣条件 下的应用 如在石油化工领域 8 离子束混合 离子束辅助沉积和等离子体源离子注入等工艺的发展 可 大大缩短注入时间和增加注入深度 并能解决离子注入的视线加工问题 离子束注入的局限性 1 离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件 2 注入层太薄 使应用范围受到了限制 对于大的工件注入机必须具 有大的靶室和强束流 因此设备昂贵 成本较高 INDEXIN

7、DEX 03 离子束技术固体作用的 基本物理过程 离子束技术的发展 离子注入的基本原理 离子注入工艺与方法 离子束技术的优点及其局限性 离子束技术固体作用的基本物理过程 离子注入技术展望 离子注入技术应用 离子注入技术的新进展 3 离子束注入是利用离子源引出单纯的离子束 与离子镀 和溅射镀膜相比 不仅利用离子的方式不同 所用的离 子能量也有很大差别 但离子与固体材料相互作用的基 本物理过程是相同的 对于离子注入的基本物理过程的描述包括三个方面 1 注入离子在注入层的能量淀积分布和损伤分布 2 离子碰撞和反冲核的行为 3 注入离子在靶内的射程分布 离子与固体材料相互作用的基本概念 1 离子在固体

8、中的慢化和能量淀积 2 弹性碰撞和非弹性碰撞 3 原子移位和移位阐能 4 级联碰撞 1 离子在固体中的慢化和能量淀积 当快速离子注入固体靶材后 与靶中的原子和电子发生碰撞作用 逐渐把离子 的动能传递给反冲原子和电子 直至离子的动能完全损失并在靶中停止下来 这一过程称为离子在固体中的 慢化 慢化过程就是靶内能量传递和淀积的 过程 入射离子与固体原子相互作用的过程称为初级碰撞 反冲原子再与固体原子相 互作用的过程称为次级碰撞 这两个过程中都存在离子在固体中的慢化和能量 淀积现象 并且固体靶中产生的结构损伤与碰撞过程中淀积的能量成正比 因 此 通常把淀积的能量称为损伤能量 2 弹性碰撞和非弹性碰撞

9、入射离子与固体靶中的原子发生碰撞后 把能量传递给原子 并且参与碰撞 的粒子的机械能 动能 守恒 这一过程称为弹性碰撞 若离子把能量传递给电子 引起激发或电离等过程 使得参与碰撞的粒子的 机械能不守恒 这种过程称为非弹性碰撞 一般情况下 离子与固体材料相互作用时 上述两类过程同时发生 当离子 能量较低时 弹性碰撞占主导地位 当离子能量较高时 非弹性碰撞占主导 地位 3 原子移位和移位阐能 入射离子与固体中的原子碰撞时 如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量 能够越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙称为移位原子 这种现象称 作原子移位 发生原子移位所必须的最小能量称为移位阈能 用Ed表示 一般认为 移位

10、阈能包括两部分 一是断键能量 即等于原子键合能量 另一部分是克服势垒所作的功 在离子注入技术应用的领域内 对于一般材料 移位阈能的公认平均值为 25eV 4 级联碰撞 在离子注入实际应用的许多场合 固体中被入射离子撞机的反冲原子 初 级反冲原子 从初级碰撞中所获得的反冲能量 远远超过移位阈能 因 此它会离位 并以一定能量继续与晶格原子碰撞 从而产生新的反冲原子 次级反冲原子 这种次级碰撞的繁衍过程称为 级联碰撞 在级联碰撞过程中 固体中由于晶格中原子被碰撞而离位 会出现许多 空位 同时在别处则会出现间隙原子 这种空位 间隙间隙原子对就是 离子轰击造成的晶格缺陷 也称辐射损伤 密度不大的级联碰撞

11、 将产生 许多孤立的 可分开的点缺陷 随着级联碰撞的扩展 产生的空位或间隙 原子彼此非常接近 以致形成点缺陷的结团 随着高密度的级联碰撞的发 生 大量的点缺陷结团形成移位峰 可见 移位碰撞越扩展 辐射损伤程 度越严重 3 离子与固体材料相互作用的基本过程 基本过程及现象 1 入射离子与材料表面发生非弹性碰撞 发射二次电子和光子 2 材料中的电子将入射离子中和 中和后的离子通过与晶格原子的弹性碰 撞而成为背散射粒子 被弹出固体 3 一个入射离子刀固体材料表面 可以经过多次碰撞 撞出若干个离位原 子 发生级联碰撞 4 部分被撞出的原子 若方向合适 就会穿过晶格空隙 从材料表面逸出 而成为被溅射原子

12、 表层的少数原子也可能以原子团的形式一起被溅射 出来 5 晶格中原子被碰撞离位的同时 在该处留下一个空位 在别处出现一个 间隙原子 这种空位 间隙原子对所形成的晶格缺陷称为辐照损伤 它与原 子间混合 晶格排列有关 6 入射离子经若干次与电子 原子碰撞后 能量几乎耗尽 就会在靶材的 一定深度停留下来 成为材料中的一种杂质原子 7 离子轰击后 入射离子经过一系列碰撞最后沉积在表层中 离子能量绝 大部分变成热量释放 同时离子轰击也会使原先吸附在表面的原子或分子 发生解吸 或重又被吸附 使注入层的结构和性能发生明显变化 INDEXINDEX 04 离子注入的基本原理 离子束技术的发展 离子注入的基本原

13、理 离子注入工艺与方法 离子束技术的优点及其局限性 离子束技术固体作用的基本物理过程 离子注入技术展望 离子注入技术应用 离子注入技术的新进展 4 离子注入原理图 离子源产需离子 引出电极引出 加速器加速 质量分析筛选 聚焦和扫描 靶室 4 R Rp R 离子在固体中的射程 4 注入元素沿深度分布 浓度分布 入射离子在固体中的碰撞随机 注入离子 分布在一定范围内 具有相同初始能量离 子的投影射程按高斯函数分布 高斯曲线围绕Rp对称分布 Rp 和 Rp 决定了高斯曲线的位置和形状 注入元素在离表面x处的浓度为 N x Nmax X x Rp Rp Nmax X Rp 处的峰值浓度 标准偏差 Rp

14、 描述各入射离子的 投影射程的分散特性 e 1 2x 2 4 离子注入机的主要结构 四大部分 1 离子源 2 加速器 3 质量分析器 4 聚焦和扫描系统 1 离子源 u离子源的基本结构式由产生高密度等离子体的腔体和引出系统组成 其作用是产生 所需的离子束 对于金属的表面改性 往往需要用N C B 等非离子及多种 金属离子 因此离子源要求有多种元素的离子束 u适用不同注入条件的离子注入机的离子源有二三十种 其中使用较多的有 高频离 子源 双等离子体离子源 潘宁离子源 考夫曼离子源 金属蒸发真空弧源以及尼尔 逊源等 u离子源分类 气体离子源和金属离子源 u气体离子源是靠离子源腔体中的气体放电形成等

15、离子体而引出正离子 其正常工作 的关键是使气体放电并能持续进行 金属离子源是将金属气化电离 同样也要形成气 体放电并持续进行 u引出系统包括直接引出和间接引出两种 直接引出系统有两个带圆孔 孔径为纳米 级 的金属电极组成 分别作为阳极和引出极 吸极 中间加一电压 阳极和等离 子体同电势 因此 在引出极和等离子体边界之间形成电场 是等离子体附近离子加 速 通过引出极中央圆孔引出离子束 间接引出系统是在阳极和引出极之间插入另一 阳极 在两阳极间形成一个离子体密度较低的等离子体 即双等离子体 2 加速器 u加速器的任务是形成 电场 使离子在电场的 作用下 受到加速而获 得较高的能量 u静电加速器属于

16、直流 高压型加速器 通过使 带电粒子 离子 通过 高压电场来获得能量 u直线加速器是使带电 粒子连续多次的通过电 压不很高的加速电场来 获得能量 是一种谐振 式加速器 直线加速器的工作原理 3 质量分析器 质量分析器常采用磁分 析器和正交电磁场分析 器 它是将所需要的离 子从离子束中分选出来 将靶不需要的离子偏 离掉 磁分析器原理图 4 离子束聚焦和扫描系统 在离子束从离子源到靶室的过程 中 离子由于空间电场力的作用 而相互排斥 并且离子在传输中 也可能与系统中剩余气体分子发 生碰撞而产生散射 能量损失 因此离子束的直径逐渐变大 经 过聚焦扫描系统后 将离子聚焦 扫描 有控制地注入工件表面 通常采用四级透镜和单透镜聚焦 扫描系统主要有电扫描和机械 扫描 静电四季透镜的电场分布和离子受理方向 扫描系统 4 注意事项 u一般来说 只在注入剂量较低时注入深度分布遵循高斯型分布 u表面改性所用注入剂量较高 一般为1017离子cm2量级 比半导体注 入常用的剂量约高两个数量级 u随着注入剂量的增加 浓度峰值移向表面 主要原因是在离子轰击 时 金属表面发生溅射现象 u离子与表面原子的直接碰撞作用和