離子注入技術(shù)培訓(xùn)課件

??? 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)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10-11s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在相近時(shí)間內(nèi)完成的，所以全過(guò)程很像發(fā)生在長(zhǎng)約0.1μm和直徑為0.02μm 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱－淬火與新原子注入材料中相結(jié)合，其結(jié)果可產(chǎn)生一些獨(dú)特的性能。
??????? 離子注入的深度是離子能量和質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)。能量愈高，注入愈深。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。
??? 一旦到達(dá)表面，離子本身就被中和，并成為材料的整體部分，所以注入層不會(huì)像常規(guī)那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間，甚至與真空室內(nèi)的殘余氣體化合生成常規(guī)合金或化合物。
??? 由于注入時(shí)高能離子束提供反應(yīng)后的驅(qū)動(dòng)力，故有可能在注入材料中形成常規(guī)熱力學(xué)方式不能獲得的亞穩(wěn)態(tài)或“非平衡態(tài)”化合物這就可能使一種元素的添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常熱溶解的數(shù)量。
3.離子注入技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用
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