等离子体基离子注入技术发展及其应用

等离子体基离子注入技术发展及其应用

【摘要】等离子体基离子注入是一新型的材料表面改性技术，它克服了传统离子注入视线加工的缺陷，可处理复杂形状工件，并可批量生产，生产效率高，设备成本低。本文简述了等离子体基离子注入的原理、特点及其工业的应用，并指出等离子体基离子注入技术与其他镀膜技术相结合是今后的发展趋势。

一、前言

从使用角度，多数工件往往是通过与材料表面有关的摩擦、磨损、腐蚀等现象而导致最后失效或破坏的，如刀具和工模具的磨损、疲劳断裂，化工容器和管道的腐蚀、氧化锈蚀等。至于多数电子、光学器件，也往往建立在充分利用发生表面或近表面的物理效应的基础上。因此，材料表面改性不仅具有重要的理论研究价值，而且在工程上也具有极其重要的实用价值。

材料表面改性的方法多种多样，除传统的表面和化学热处理、表而机械强化处理、电镀、堆焊和热喷涂工艺外，近代迅速发展起来的借助真空技术，电磁场，高能电子束、激光束、离子束和等离子体等技术的各种物理气相沉积(physical vapour deposition，PVD)和化学气相沉积(ch emical vapour deposition，CVD)以及高能束表面处理和制膜方法受到了人们越来越大的关注。其中离子注入表面改性技术是20世纪60年代发展起来的。它是将某些气体或金属元素的蒸气进行电离形成正离子，经高压电场加速，使离子获得很高速度后射入工件表面，以改变其表层成分和相结构，从而改变工件表面的物理、化学及力学性能。

离子注入技术最早应用于半导体材料的掺杂，从20世纪70年代开始在非半导体材料表面改性方面进行应用研究。与常规表面和化学热处理、电镀、气相沉积和其他镀膜方法相比，离子注入技术具有以下特点：

(1)离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。

(2)注入层与基体之间没有界面，系冶金结合，改性层和基体之间结合强度高、附着性好。

(3)高能离子的强行射入工件表面，导致大量间隙原子、空位和位错产生，故使表面强化，疲劳寿命提高。

(4)离子注入是在高真空和较低的工艺温度下进行，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的最后表面处理。

因此，离子注入在改善工件表而的耐磨性、抗摩擦、抗腐蚀、抗疲劳性能以及光电性能方面展示出明显的优势，具有广阔的应用前景。然而传统的离子注入是一个“视线加工”过程，即只有暴露在离子束下的工件表面才能被离子注入，而对于其他表面，不得不采用带有自转加公转的复杂转动靶台来解决之，甚至存在工件即使运动也无法完成凹面或内腔处理的情况。为了克服传统离子注入的直射性缺陷，1987年美国Wisconsin 大学J.R.conrad授提出了等离子源离子注入(p lasma source ion implantation，PSⅡ)技术，也称为等离子体湮没离子注人(plasma immersi on ion implantation，PⅢ)或全方位离子注入技术，1993年第一届国际等离子体基离子注入研

讨会上则统一称为等离子体基离子注入(plasma based ion implantation，PBⅡ)技术，它可在较简单的装置中实现对异形工件和多个工件批量地进行全方位的离子注入，从而引起了人们的极大兴趣和重视，并逐渐发展成熟为一种新型的材料表面改性技术，在生产上得到了日益广泛应用。

二、等离子体基离子注入(PBⅡ)基本原理

上图是PBⅡ装置示意图。设备由真空室、进气系统、等离子体源、等离子体、真空泵系统、电绝缘工件台和脉冲高压电源组成。在PBⅡ加工时，先将工件置于真空室内，采用热阴极、射频(RF)、电子回旋共振(ECR)、金属蒸汽真空弧放电(MEVVA)等多种方法产生弥漫在整个真空室内PBⅡ所需的等离子体，这样工件就直接湮没在等离子体中。由于等离子体中电子的运动速度远大于正离子速度，因此由于热运动而随机投向工件表面的电子流量要比正离子大得多，于是将形成近工件表面处富集电子而近等离子体侧则富集正离子所谓Langmuir鞘层。然后以工件为阴极，真空室壁为阳极，施加一高电压脉冲。在此瞬时，工件表面附近电子被逐出，而正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并注入工件表面。

目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介质的离子注入(GaPBⅡ)，而且可以进行金属的注入(MePBⅡ)，以及金属和气体离子多元离子复合注入。通常MePBⅡ的设备要比GaPBⅡ的复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPBⅡ的离子一般为一价或半价；而且MePBⅡ能提供较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体介质和金属离子的PBⅡ技术尚存在一定区别。

三、PBⅡ技术特点

PBⅡ除具有离子注入的固有特点外，尚具有下述特点：

(1)克服视线加工的局限，实现全方位注入由于在等离子体基离子注入过程中，工件湮没在等离子体中，依靠施加在工件上的脉冲负偏压所产生的强电场，几乎每个暴露的金属表面均可吸引离子，从而可从四面八方对工件进行全方位的离子注入，解决了离子注入在复杂形状工件上的应用问题。

(2)高效率，操作控制安全方便由于离子注入可以在施加脉冲负电位的工件上同时进行，无需扫描，就可实现大面积注入，故效率颇高。另外调节脉冲负偏压大小，波形和频率就可方便地控制离子注入过程，操作方便。

(3)批量生产PBⅡ加工过程中，阴极是工件本身，工件周围的等离子鞘层就是阳极，因此每个工件及其周围的等离子体鞘层就形成了一个独立的离子注入系统，这样等离子体基离子注入就可以实现批量生产。值得注意的是，在多个工件同时处理时，应避免各个工件等离子鞘层的空间交叉。

(4)生产成本降低由于PBⅡ是全方位离子注入，工件在传统离子注入过程中所必需的往复、旋转等操作就可以省去，故此注入设备不需要复杂的转动靶台，也不需要离子束扫描装置。再加上生产效率高，可批量生产，故总的生产成本相对传统离子注入技术有较大降低。

四、PBⅡ在工业上的应用