离子注入技术的发展与在材料方面的应用

离子注入技术的发展

及其在材料方面的应用

摘要

离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。

关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导

一、绪论

离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。

近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。

在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。

离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。

二、关于离子注入的简单介绍

（一）离子注入的定义

离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10－几百KeV的称为离子注入。注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变．从而达到材料表面改性的目的。

简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一

个具有特殊性质的表面层（注入层），是把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。下面是一个离子注入系统的示意图。

不同类型的离子源用于产生各种强度的离子束；质量分析器用来除去不需要的杂质离子；束流扫描装置用来保证大面积注入的均匀性；靶室用来安装需要注入的样品或元器件，对不同的对象和不同的注入条件要求可选用不同构造的靶室。

（二）离子注入技术的特点

离子注入是一种新型表面处理技术。它是通过注入外来离子改变材料近表面化学成分和表面层结构, 从而提高材料表面的物理、力学和化学性能, 同时又保持基体材料原有性能、尺寸和表面光洁度。

与其它处理技术相比, 离子注入有以下特点

1、可将任何元素注入基体材料的近表面层, 而不受热力学的限制；

2、注入元素和基体材料的选配不受限制,注入量不受材料溶解度的限制, 可以得到常规方法不能得到的表面层结构；

3、注入层和基体材料之问无明显界面, 不存在脱落分层问题, 不妨碍基体传热；

4、注入元素的数量和注入深度均可精确控制, 易于实现自动化生产。由于可控制性的改善, 离子注入使半导体器件的产量提高10倍；

5、可在低温、室温和高温下进行离子注入能在低温下处理是离子注入的一个突出优点,这对高温下处理时会使基体性能恶化的零部件是十分重要的；

6、注入工件表面的元素均匀性好, 这特别有利于半导体集成电路的掺杂,

改善掺杂的均匀性, 可以提高集成电路的成品率；

7、注入工件表面的元素纯度比较高；

8、不会产生污染环境的排泄物。

上述优点使离子注入技术在许多应用领域研部门和工业界的广泛注意。它首先在航空航天和军械工业中得到重视和应用。目前研制的离子注入设备可降低生产成本, 使离子注入技术可与传统的精饰工艺相竞争。

三、离子注入技术的发展及应用

（一）在金属材料改性方面的应用

离子注入作为金属材料表面改性的手段已受到关注, 其应用主要有以下三点改变金属材料表面的力学性能，如摩擦、摩损、硬度以及材料的疲劳寿命等,改变金属材料表面的化学性能, 如高温及中温条件下的抗氧化性能、抗水溶液腐蚀性能及提高表面电化学性能等改变金属材料表面的物理性能, 如电性能、超导性能、光学性能及绝缘性能等。

1．材料表面改性的一般方式及物理过程

离子注人材料表面改性的一般方式是，选择一些合适种类的离子，如N、C、Ti等，经加速器加速达到一定能量后，轰击金属材料表面，入射离子的剂量为1O17离子/cm2 量级，在多数情况下，把入射离子与靶的相互作用仅仅看成是电子碰撞是不够的．还必须考虑入射粒子与靶原子核的相互作用，在入射粒子能量较低时，主要考虑入射离子与靶原子核的弹性碰撞，几百KeV的离子注入其相互作用情形即为如此。入射离子在靶中会形成一定的射程分布，对非晶靶，该分布接近于高斯型。相同的离子，以不同的能量射入靶中，其射程分布是不相同的。一般而言能量越大其射程值越大。不同的离子，以相同的能量入射，一般来说，轻离子的射程值要大些，能量越大，平均射程的值也越大。

人射离子进入靶后，通过与靶物质中的电子和原子核相互作用，逐渐损失自己的动能，直至在靶中停止下来。这一过程称为离子在固体中的慢化。从能量转换的角度来说，离子在所经过的路径上将能量传递给靶原子核和电子，这一过程为能量淀积过程．失去能量后的入射离子，最后将终止在晶体中的某一位置．而被碰撞后的原子则获得足够的能量．使它摆脱原来晶格的束缚，离开平衡位置进人间隙态．而使晶体产生一个缺陷，这是离子注入辐射损伤中最简单、最基本的一种晶格损伤。若被移位的原子把它的能量依次转移到其它原子上去，将发生级