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1、离子注入技术本文结构：1.引言2.离子注入技术的原理、特点3.离子注入技术的新发展及应用4.展望1.引言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
2、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
3、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
4、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(5
5、)离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别适合于高精密部件的最后工序。(6)可以在工件表面层形成压应力,减少表面裂纹。(7)采用清洁的高真空和无毒的工艺和材料，处理温度低，待处理材料的整体性能不受影响。(8)由于注入仅达表面区域，可节约昂贵材料或战略材料。2.3离子注入设备和方法最简单的离子注入机（图2）应包括一个产生离子的离子源和放置待处理物件的靶室。当前主要有以下几种类型的注入机：1.质量分析注入机，能注入任何元素。它有如下优点：a.能产生任何元素的离子。b.能产生纯的单能离子束，对目的明确
6、的开发研究特别有利。c.能很准确地确定处理参数。d.靶室压强低，可限制污染。e.离子束能量变化范围很宽。缺点是：a.束流一般较小。b.机器昂贵且复杂，需专门人员操作和维修。c.处理复杂形状时，要求样品翻转。2.氮注入机，只能产生气体束流（几乎只出氮)。主要用于工具的注入。其优点如下：a.操作维修简单。b.束流高。c.可以制成巨型的机器。缺点是：a.束流均匀性一般较差（但通常可满足工具的处理）。b.离子束组分的相对分量不稳定，且其能量和剂量也不能确定。c.因为离子源一般靠近靶室，在处理过程中靶室压强较高，会使处理表面氧化。d.处理复杂形状时要求工件翻转。3
7、.等离子源注入机(PIII)PIII装置（图3）不是由离子源中产生的离子束射向分离靶室中的工件上，而是离子源环绕着工件。其做法是在靶室中产生等离子体，因此等离子体是环绕着注入工件的。这样就没有了直射性的限制。其优点如下：a.简单，成本低。勿需产生和控制离子束，只需运行真空系统。b.不需工件的转动和扫描。c.垂直入射注入。d.高束流覆盖整个表面，故可忽略强离子束扫描引起的局部受热问题。缺点是：a.任何等离子体的不均匀性将引起不均匀注入。b.离子能量受限制。c.存在与靶室中所有离子均会注入，剂量和能量不易确定。d.电流脉冲的效果尚无大量资料确证。其它类型注入
8、机目前还研制出了金属蒸发真空电弧离子源（MEVVA），它是在注入元素组成的电极表
