离子注入技术培训课件

    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。
3.离子注入技术的新发展及应用