离子束表面处理技术

离子束表面处理技术

离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。

关键词：离子束加工离子注入表面处理

Ion beam machining is the use of ion beam surface modification of materials forming or processing methods and it is an “atomiclevel” process technology. Ion implantation. Ion beam deposition. and Intense pulsed ion beam materials modification have been applied in dustry .some newer ion beam process technologies are being studied and developed.

Keywords: Ion beam machining Ion implantation Surface Treatment

离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。

离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。其构筑的工艺特性远超于其他工艺。因此，离子束表面处理有着诱人的研究和应用前景。

1.离子注入

离子注入是指离子从离子源中引出的离子经过加速管加速电位的加速获得很高的能量（动能），而后进入磁分析器使离子纯化，分析出的离子再加速，经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面，通过电荷积分仪精确地测量注入离子数量，调节注入离子的能量可精确地控制离子注入深度，故将它称之为精细掺杂。

离子束注入技术:

非金属离子注入。氮离子注入金属、钛合金、铝合金；碳离子注入金属；硼离子注入钢；氧离子注入钛合金、铝；气体离子注入材料等。

金属离子注入。金属蒸发真空弧（MEVVA）离子源金属注入；钛离子注入钢表面；重金属离子注入H13钢；金属注入440C不锈钢等。

此外还有离子注入WC合金钢，离子注入改善TiN和TiC沉积膜，长程离子注入，双注入和共注入等。

以上离子的注入通过改变材料化学成分，结构，形成新相，通过改变材料的物理和化学特性，从而明显提高提高材料的硬度、抗疲劳性、抗磨损性、抗氧化特性和抗腐蚀性等。

与一般的材料相比，离子束注入具有以下的特点：

1)注入的元素和添加的元素可任意选取基本材料不受限制。同时注入或添加元素时不受温度和固溶度的限制，可在高温、低温和室温下进行。注入或添加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。

2)可精确控制参杂数量和参杂深度。自动化程度高，可精确地注入量。离子注入横向扩散可忽略，深度均匀，参杂杂质纯度高。

3)不会产生涂层，直接离子注入不改变工件尺寸，适合于精密机械件的表面处理，如航空，航天领域。

4)功耗低，节省材料，处理成品率可以达到100%。

5)不需要采用有毒化学物质，也不会产生任何有害的废物，实现绿色生产。

6)适于各种固体材料和粉末材料的改性要求，如半导体、液晶、非晶态、金属和非金属材料等。

7)存在生产效率低，加工成本高，设备复杂、投资高、技术难度达

困难。同时存在常规的离子注入深度很浅，离子表面衍射使得离子注入很难得到高浓度掺杂等难题。

2.离子束增强沉积

离子束沉积原理。由蒸发构成的原子枪提供原子流，会沉积到沉底（材料）上形成薄膜，在沉积的过程中伴随离子束轰击，增加沉积原子能量，增强沉积。离子束增强沉积的基本结构：

1）蒸发源（加热炉加热，电子束轰击或离子束轰击）提供原子蒸发流。

2）在蒸发源的上方放置安装样品的样品台，在其下方放置离子枪，在沉积

过程，进行离子束轰击。

3）膜厚检测器:可安置在样品附近，用来检测沉积过程中薄膜厚度变化和蒸

发速率。

4）法拉利筒：可安置在样品附近，用来检测沉积过程中轰击的速流。

5）真空靶室：所有上述部件均安放在一个大的真空靶中。

6）进气源：为了进行离子化学反应成膜，可通入氮、氧和炭的化合物气体。

表1-1

应用膜材料基本材料厚度/mm 沉积速率/(mm/min)

抗腐蚀Al 钢，Ti,合金<=40000 2000

Ca 钢

Zn 钢

抗磨损HfN,ZrN 钢，Mo 1000

~5000 80

~

1000

Tin,TiCN,BN 钢，WC-Co TiC,WC 高速钢，模具钢

润滑Pb,Au,Mg,MoS2金属100

~1000 100

~

1000

Al,MoSi2,PbSn 金属

合金，石墨塑料

Cr,In(Sn)O 塑料<=10000

光学装饰SiO2,ZrO2 玻璃，塑料500

~

1000 ZrC,TiC,TiN 金属

键合Ag Be <=10000 1000

Cu Ta,W,Nb,氧化物

X射线阳极Al,Mg,Ag Cu <=40000

离子束增强沉积在工业生产上得到广泛的应用，如表1-1所示。可以看出，

用Ca、Al和Zn用于金属件抗腐蚀，沉积过程不含有氢脆现象的出现；用Ca沉

积直升飞机部件，可以阻止海水腐蚀；用离子束增强沉积硬质碳化物和碳化物薄

膜可以改善成型模具、刀具和工件的使用寿命，使寿命可以提高2 到10倍。用

离子束增强沉淀所得到的光学模具有致密而晶粒小的晶态结构，具有很好的光学

特性等。由此可见，离子束增强沉淀（IBAD)技术是一项先进的镀膜技术，必将

受到越来越多的青睐。

3.强脉冲离子材料改进技术

强脉冲离子束（Intense Pulse Ion Beam），亦称高功率脉冲离子束