離子注入技術(shù)
發(fā)表于：2017-12-14 作者：3136431 關(guān)注度：457
離子注入技術(shù)
當(dāng)真空中有一束離子束射向一塊固體材料時(shí)，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射；而當(dāng)離子束射到固體材料時(shí)，從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。
等離子體基離子注入PBⅡ裝置示意圖
高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。新技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。此項(xiàng)高新技術(shù)由于其獨(dú)特而突出的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、
應(yīng)用
離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速（對(duì)Si，電壓≥105 V），獲得很大動(dòng)能的雜質(zhì)離子即可以直接進(jìn)入半導(dǎo)體中；同時(shí)也會(huì)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進(jìn)行退火或激光退火來(lái)消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以內(nèi)的一定深度處。
離子注入的優(yōu)點(diǎn)是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來(lái)雜質(zhì)的再擴(kuò)散等），同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)（以減小電容效應(yīng)）。
獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)
?。?/span>1）它是一種純凈的無(wú)公害的表面處理技術(shù)；
（2）無(wú)需熱激活，無(wú)需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會(huì)改變工件的外形尺寸和表面光潔度；
（3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個(gè)新表面層，它與基體之間不存在剝落問題；
（4）離子注入后無(wú)需再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理。
離子注入機(jī)
?。?/span>3）離子束的質(zhì)量分析（離子種類的選擇）；
?。?/span>4）離子束的約束與控制；
?。?/span>5）靶室；
（6）真空系統(tǒng)。
M EVVA源離子注入
介紹
M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發(fā)明研制成功的。這種新型的強(qiáng)流金屬離子源問世后很快就被應(yīng)用于非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性，并引起了強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命，這種獨(dú)特的離子注入機(jī)被稱為新一代金屬離子注入機(jī)。
突出優(yōu)點(diǎn)
(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達(dá)到很高的純度，同時(shí)可以省去昂貴而復(fù)雜的質(zhì)量分析器；
(3)金屬離子一般有幾個(gè)電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個(gè)引出電壓可實(shí)現(xiàn)幾種能量的疊加(離子)注入；
(4)束流是發(fā)散的，可以省去束流約束與掃描系統(tǒng)而達(dá)到大的注入面積。其革命性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，主要由離子源、靶室和真空系統(tǒng)這三部分組成。
國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
在國(guó)家863計(jì)劃的大力支持下，經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，M EVVA源金屬離子注入表面技術(shù)在硬件(設(shè)備)和軟件(工藝)兩方面均已取得了重要的突破和進(jìn)展，并已具備了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。在設(shè)備方面，完成了M EVVAIIA-H、MEVVAII-B和MEVVA50型3種不同型號(hào)M EVVA源的研制，主要性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。僅“九五”期間，就已先后為臺(tái)灣地區(qū)、香港地區(qū)和國(guó)內(nèi)大學(xué)研究所和工廠生產(chǎn)了15臺(tái)M EVVA源離子注入機(jī)或M EVVA源鍍膜設(shè)備。
M EVVA源離子注入機(jī)的應(yīng)用，使強(qiáng)流金屬離子注入變得更簡(jiǎn)便、更經(jīng)濟(jì)，效率大大提高，十分有利于這項(xiàng)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在表面優(yōu)化工藝方面，鋼制切削工具、模具和精密運(yùn)動(dòng)耦合部件3大類、7個(gè)品種的M EVVA源離子注入表面處理，取得了延壽3-30倍的顯著優(yōu)化效果，并已通過國(guó)家部委級(jí)技術(shù)鑒定，成果屬國(guó)際先進(jìn)水平。
適用行業(yè)
這項(xiàng)高新表面處理技術(shù)的優(yōu)越性、實(shí)用性及其廣闊的市場(chǎng)前景已被越來(lái)越多的部門和單位所賞識(shí)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)多年來(lái)的研究與開發(fā)，同時(shí)借鑒近年來(lái)國(guó)際上的新進(jìn)展，
離子注入系統(tǒng)示意圖
M EVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：
(1)金屬切削工具(包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質(zhì)合金工具)，一般可以提高使用壽命3-10倍；
(2)熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延長(zhǎng)使用壽命10倍左右；
(3)精密運(yùn)動(dòng)耦合部件，如抽氣泵定子和轉(zhuǎn)子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可大幅度地降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和耐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命最多可以達(dá)到100倍以上；
(4)擠壓合成纖維和光導(dǎo)纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命；
(5)半導(dǎo)體工業(yè)中的精密模具，罐頭工業(yè)中的壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命；
(6)醫(yī)用矯形修復(fù)部件(如鈦合金人工關(guān)節(jié))和手術(shù)器具等，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常好。
技術(shù)貢獻(xiàn)
這項(xiàng)高技術(shù)是一個(gè)方興未艾的新興產(chǎn)業(yè)，硬件設(shè)備的處理能力和效率有待進(jìn)一步提高，在軟件(離子注入材料表面改性技術(shù))方面，也有待進(jìn)一步深化和細(xì)化，其應(yīng)用范圍也有待不斷擴(kuò)大。
國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況美國(guó)的I SM Tech.公司是國(guó)際上生產(chǎn)M EVVA源離子注入機(jī)的專業(yè)公司，在綜合技術(shù)水平上處于國(guó)際領(lǐng)先。上世紀(jì)90年代以來(lái)先后研制生產(chǎn)了幾種不同類型的商用M EVVA源離子注入機(jī)。最近報(bào)道的一種多M EVVA源離子注入機(jī)，在真空室里配備了4臺(tái)AVIS80-75MEV- VA源，總束流可達(dá)300mA，總束斑面積可打12，000cm2，是目前世界上束流最強(qiáng)的M EVVA源離子注入機(jī)。歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的離子注入表面處理技術(shù)這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況良好，如美國(guó)的S PIRE公司和ISM Tech.公司、英國(guó)的A EA Industrial Tech.，Tec Vac和Tech-Ni-Plant、法國(guó)的N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國(guó)的M AT和丹麥D TI Tribology Centre等均已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，起了很好的示范作用。他們已經(jīng)將金屬離子注入的費(fèi)用降低到$0.05-0.5/cm2的水平，可以被包括醫(yī)療、航空、航天、機(jī)械等廣泛的領(lǐng)域和部門所接受。
非半導(dǎo)體材料的離子注入表面改性
非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究對(duì)離子注入機(jī)提出了一些新的要求。半導(dǎo)體材料的離子注入所需的劑量（即單位面積上打進(jìn)去了多少離子，單位是：離子/平方厘米）比較低，而所要求的純度很高。非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高（比半導(dǎo)體材料離子注入高1000倍以上），而純度不要求像半導(dǎo)體那么高。
在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導(dǎo)體離子注入機(jī)所產(chǎn)生的氮離子束來(lái)進(jìn)行。這主要是因?yàn)榈葰怏w離子在適用于半導(dǎo)體離子注入的設(shè)備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應(yīng)用中取得了引人注目的成功。因此這個(gè)階段被稱為氮離子注入階段。
金屬離子注入是新一代的材料表面處理高技術(shù)。它利用具有很高能量的某種金屬元素的離子束打入固體材料所引起的一系列物理的與化學(xué)的變化，來(lái)改善固體材料的某些表面性能。研究結(jié)果表明，金屬離子注入在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究與應(yīng)用中效果更加顯著，應(yīng)用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，金屬離子注入可以很好地實(shí)現(xiàn)。但是，基于半導(dǎo)體離子注入需要的傳統(tǒng)離子注入機(jī)，要想獲得比較強(qiáng)束流的金屬離子束是比較困難的，進(jìn)行非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性所需的費(fèi)用也是比較昂貴的。
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