離子注入技術(shù)實(shí)習報告范文

　　離子注入技術(shù)具有其它表面改性技術(shù)所不具備的突出優(yōu)點(diǎn)，不僅能量高、溫度低，而且可控性強，操作度高，因此不僅在材料科學(xué)與工程中獲得了廣泛的應用。以下是一篇關(guān)于“MEVVA源離子注入技術(shù)實(shí)習報告”，供大家參考，希望對大家有所幫助。

　　一、實(shí)習報告名稱(chēng) (一級標題，黑體，三號)

　　MEVVA源離子注入技術(shù)

　　二、實(shí)習起止時(shí)間

　　2008年9月20日至2008年10月10日

　　三、實(shí)習地點(diǎn)

　　北京師范大學(xué)低能和物理研究所

　　四、實(shí)習內容(含原理簡(jiǎn)介)

　　4.1 MEVVA源離子注入技術(shù)發(fā)展及介紹

　　4.1.1 離子注入技術(shù)的發(fā)展

　　離子束技術(shù)是一項不斷發(fā)展和完善的新型技術(shù),它的應用范圍非常廣泛,加工的對象種類(lèi)繁多又千變萬(wàn)化,幾乎包括了整個(gè)材料科學(xué)的研究對象。這項技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,推動(dòng)了材料科學(xué)本身的發(fā)展,在基礎學(xué)科的研究上取得了許多新成果,在國民經(jīng)濟和國防上具有巨大的經(jīng)濟效益。在20世紀50年代美國貝爾實(shí)驗室的RusellOhl首先將該技術(shù)用于改善半導體的摻雜特性。自那之后，尤其是60年代以來(lái)，離子注入在基礎理論和應用研究等諸多領(lǐng)域都獲得了飛速發(fā)展，取得令人矚目的成果。 70年代中期發(fā)展起離子束材料改性,由于開(kāi)發(fā)了強束流氮離子注入技術(shù),在80年代中期開(kāi)始走向一定規模的工業(yè)生產(chǎn)階段�，F在已發(fā)展到可以在各種基體材料中注入差不多所有元素的離子，離子注入已經(jīng)成為材料表面改性的最重要的方法。

　　4.1.2 離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介

　　1、強束流氮離子注入

　　為了材料改性的需要,英國哈威爾原子能研究中心的Freeman教授等人研制出強束流氮離子注入機，束流強度可達50mA。不采用質(zhì)量分離器，因為通入離子源氣體為高純氮,引出的離子也是高純的氮離子束，束流直徑可達到1m。

　　2、強流金屬離子注入

　　MEVVA源屬于強金屬寬束離子源,其基本原理是利用觸發(fā)器觸發(fā)陰極引起陰極和陽(yáng)極間弧光放電,從而將陰極材料蒸發(fā)到放電室中,被蒸發(fā)的陰極原子在等離子放電過(guò)程中被電離而形成正離子,等離子在磁場(chǎng)的作用下可以減少離子在室壁上的損失。正離子通過(guò)陽(yáng)極和多孔的引出極而形成較寬的金屬離子束,再經(jīng)加速電壓加速后注入到靶材表面。

　　3、浸沒(méi)離子注入

　　將注入的工件置于等離子體中加上負電位,于是等離子體中的正離子則奔向工件而注入到工件表面,這種注入方式稱(chēng)為浸沒(méi)離子注入。這種注入的特點(diǎn)是全方位離子注入,可加工復雜的工件。如果工件上加上負脈沖電位,那么注入離子的能量將增加。

　　4.1.3 離子注入技術(shù)的特點(diǎn)

　　離子注入過(guò)程是先將預先選擇的元素的原子電離成離子，再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，使其獲得若干千電子伏特的能量(通常為20～50okeV)，然后將其引入到固體表面。與其它表面改性方法相比，離子注入具有以下特點(diǎn):

　　1) 離子注入是非熱平衡過(guò)程。離子注入是將經(jīng)加速器加速后具有一定能量的離子注入到固體表面的物理過(guò)程，不受熱平衡條件的限制，原則上可以將任何一種元素在各種溫度條件下注入到任意的靶材料中，而且不受固溶度的限制，這一特性為發(fā)展新材料提供了一種全新而獨特的手段。

　　2) 離子注入不會(huì )引起靶材料的變形。表面強化對提高金屬材料的使用性能是至關(guān)重要的，但大部分的表面強化過(guò)程都需要在一定高溫條件下進(jìn)行，變形是不可避免的，由于離子注入可以在低溫和常溫下進(jìn)行，因此可以實(shí)現對金屬材料的表面超精強化。另外強化層與基體無(wú)明顯界面(注入離子與基體原子級混合)，結合力大大提高。

　　3) 離子注入是一種改變材料表面性質(zhì)的高度可控技術(shù)。通過(guò)自由地調整注入過(guò)程中的兩個(gè)獨立參量——注入能量和劑量，可準確地控制注入元素在靶材料中的濃度分布和注入深度，加上離子注入極容易實(shí)現控制裝置的自動(dòng)化，保證了表面改性處理的精度和重現性。

　　4) 高能量的入射離子能夠穿透一定厚度的掩蔽膜(如硅半導體表面的膜)進(jìn)行注入，實(shí)現埋層注入，這對于制作高質(zhì)量的半導體器件是十分有利的。

　　4.1.4 MEVVA源離子注入機及相關(guān)研究

　　美國布朗(Brouwn)教授在1985年發(fā)表了金屬蒸發(fā)真空弧離子源(MEVVA)的研究結果，獲得了當年的美國100項研究成果獎。從發(fā)明到現在的廣泛研究，MEVVA離子源發(fā)展逐步成熟， 穩定工作引出束流達50mA以上，束斑直徑達500mm以上。我國在MEVVA離子源研究及其工業(yè)應用方面處在國際先進(jìn)水平。1998年世界上首家以MEVVA離子源技術(shù)加工的民用企業(yè)在我國出現，并取得良好經(jīng)濟效益，這是高技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化的成功范例，也說(shuō)明MEVVA離子源技術(shù)在材料表面加工上擁有潛在的巨大優(yōu)勢。

　　MEVVA 離子源的工作原理：

　　MEVVA 離子源包括金屬等離子體形成區和金屬離子束形成區兩部分。前者由陰極、陽(yáng)極和觸發(fā)電極組成，后者由一組多孔三電極組成。陰極、觸發(fā)電極和陽(yáng)極為同軸結構。陰極為圓柱形，由所需離子的導電材料制成，陽(yáng)極為圓柱簡(jiǎn)形套在陰極面。陽(yáng)極中心開(kāi)孔為等離子通道。陰極和陽(yáng)極間施加一電壓并不能形成真空弧放電，必須經(jīng)觸發(fā)點(diǎn)燃，采用脈沖高壓觸發(fā)方式。外觸發(fā)結構即觸發(fā)電極套在陰極外，中間用氮化硼絕緣，觸發(fā)電壓10 kV 左右，觸發(fā)脈寬10 us。當觸發(fā)電壓施加在陰極和觸發(fā)電極上時(shí)，用于火花放電產(chǎn)生的等離子體使陰極和陽(yáng)極電路接通而形成真空弧放電。真空弧放電的重復頻率由觸發(fā)脈沖頻率決定，而真空弧放電持續時(shí)間則由主孤電源的脈沖長(cháng)度決定。陰極真空弧放電的基率特征是在陰極表面形成陰極斑。陰極斑只有微米量級大小，而電流密度高達致使斑內陰極材料蒸發(fā)并高度電離，形成高密度金屬等離子體。等離子體以m/s的速度噴射，一部分等離子體通過(guò)陽(yáng)極中心孔擴散到引出電極，在引出電場(chǎng)作用下被引出而形成強流金屬離子束。施加在陰陽(yáng)極間的弧壓越高，弧電流越大所產(chǎn)生的金屬等離子體密度也就越高，從而有可能引出更大的束流。引出束流大小還同源的工作參數、引出電壓、引出結構及陰極材料等有關(guān)。

　　我國有科學(xué)家研究了引出束流密度分布[4]。MEVVA源的束流密度符合高斯分布，束流密度分布對于引出電壓和軸向磁場(chǎng)的變化并不敏感，因為離子源應用于離子注入系統中, 注入離子的參數如能量、流強等可能常要求改變, 但束分布的均勻性、束斑大小、散角以及發(fā)射度等并不發(fā)生大的變化, 這樣注入的設備就變得簡(jiǎn)單, 調節起來(lái)也顯得方便。

　　為了不斷適應各種新的需要，研究人員不斷改進(jìn)MEVVA源。通常在進(jìn)行離子注入時(shí)要求束流密度分布是均勻的,而MEVVA源的束流密度屬于高斯分布，因此改善束流的均勻性成為離子注入機領(lǐng)域的重要研究課題。國外有科學(xué)家(俄羅斯A.I.Ryabch ikov)曾嘗試控制等離子體的發(fā)射角，使得等離子體打到陽(yáng)極柵網(wǎng)上，而不打到陽(yáng)極筒上，從而得到一個(gè)較均勻的分布。國內有研究者試圖在陰極弧斑附近適當位置加入會(huì )切磁場(chǎng)使等離子體在低速時(shí)改變它的運動(dòng)方向，得到比較均勻的等離子體分布，并且適當調整會(huì )切磁場(chǎng)的強度可以得到一個(gè)相當平坦的電荷密度分布[5]。研究表明聚焦磁場(chǎng)對等離子體有明顯的壓縮作用、可大幅度提高陽(yáng)極孔引出等離子體的密度，從而將普通陰極真空弧沉積的沉積速率提高了約3倍，并使膜層中大顆粒的含量大幅度減少，合成薄膜的表面粗糙度下降了1個(gè)數量級。北京師范大學(xué)低能核物理研究所的王廣甫等人發(fā)現發(fā)現在陰極接地和陽(yáng)極接地兩種情況下，弧源的工作性能有很大的差異[6]。陰極接地時(shí)，因聚焦磁場(chǎng)對觸發(fā)放電產(chǎn)生的弱等離子體中電子的壓縮作用隨聚焦磁場(chǎng)的升高，電子打到陽(yáng)極的位置離陰極越來(lái)越遠，數量越來(lái)越少，當聚焦磁場(chǎng)對此弱等離子體中電子的壓縮作用使大量電子打到陽(yáng)極以遠，而打到陽(yáng)極上的電子數量不足以溝通主弧回路時(shí)，就會(huì )出現斷弧;而陽(yáng)極接地時(shí)，因靶室外殼接地也可起到陽(yáng)極作用，打到陽(yáng)極外的電子，會(huì )打在靶室入口法蘭上，當打到陽(yáng)極上的電子數量不足以溝通主弧回路時(shí)，打在靶室入口法蘭上的電子仍會(huì )通過(guò)靶室入口法蘭溝通主弧回路。吳先映等研究人員研制出了5O型MEVVA 源注入機，平均引出束流達50 mA 以上，處理面積達8400，適合于產(chǎn)業(yè)化規劃的離子束材料表面改性用離子注入機。

　　總之，MEVVA源作為一種新型強流金屬離子源，可產(chǎn)生元素周期表中從鋰到鈾的所有金屬離子，金屬離子束流強、束斑大，特別適用于科學(xué)研究和工業(yè)應用。使用MEVVA源的強流離子注入機是新一代離子注入材料表面改性設備，結構簡(jiǎn)單、緊湊，效率高，成本低，工作穩定可靠。其中MEVVA100離子注入機，是具有目前世界上最大束流功率的金屬離子注入機。下表是各種型號MEVVA源離子注入機基本性能參數的比較。

　　4.2 利用MEVVA源金屬離子注入技術(shù)的相關(guān)研究

　　材料中某些最重要的性能是由近表面數微米甚至更淺的薄層內的組分和結構所決定的，尤其是材料的光、電磁、磨損、腐蝕等性能，更是強烈地依賴(lài)于材料表面的成分和狀態(tài)，而離子注入正是改變材料表面成分和狀態(tài)的有效手段。因此離子注入技術(shù)在材料領(lǐng)域尤其是在材料表面改性方面的應用越來(lái)越廣泛。

　　4.2.1 半導體材料的離子注入

　　在目前的半導體和集成電路生產(chǎn)中，利用離子注入技術(shù)進(jìn)行摻雜已經(jīng)取代了傳統的熱擴散和外延方法，成為半導體工業(yè)生產(chǎn)中的基本工藝之一。離子注入可以實(shí)現低溫、定向、定量的摻雜，這一點(diǎn)是熱擴散工藝所不及的。例如在GaAs集成電路和器件研制中,離子注入是關(guān)鍵技術(shù)之一。在器件研制中需要形成n型或p型高濃度層,由于自補償效應等原因,在GaAs中n型層很難高于(3~4)×/cm3濃度。選用Si+As雙注入,使Si能更多地替Ga位,大大提高了載流子濃度。當選用適當注入和退火時(shí),得到峰值載流子濃度為3×/cm3的n型高濃度層。國內材料Si+注入后遷移率低，研究發(fā)現, 選用優(yōu)質(zhì)Si-GaAs材料,消除注入時(shí)BF+束流對束流的影響,在950℃~960℃5 s白光快速退火的條件下可得到優(yōu)質(zhì)的n型層，此技術(shù)可穩定地將電激活率提高80%~100%,遷移率3 500cm2/V·s左右。

　　4.2.2 金屬材料的離子注入改性

　　離子注入是一種非熱平衡過(guò)程，不受平衡固溶度和熱力學(xué)規律的限制�？梢园褍煞N或幾種互不相溶的合金組元人為地制造成固溶體，為金屬材料表面改性開(kāi)拓了更具前景的全新工藝。近年來(lái)有關(guān)這方面的研究進(jìn)行得異�；钴S，取得了矚目的研究成果。

　　如MEVVA源離子注入陶瓷刀具表面改性研究。陶瓷具有高硬度和高溫強度、抗蠕變、高的抗氧化性能和高溫化學(xué)穩定性好等特點(diǎn)，但由于其化學(xué)鍵局限和制備過(guò)程中的微裂紋和缺陷等原因具有表面斷裂敏感性，表現出低韌性、低拉伸強度、低抗彎強度等缺點(diǎn)，材料可靠性和重現性低，而一些材料磨損系數相對較高、磨損行為欠佳、抗熱震性能不足等問(wèn)題也限制了材料的使用。離子注入能將所需元素離子在幾十至幾百千伏電壓下注入到陶瓷材料表面，在零點(diǎn)幾微米的表層中增加注入元素濃度，通過(guò)非平衡態(tài)材料輻照損傷和化學(xué)效應等途徑使陶瓷組成和微觀(guān)結構以一種可控方式改變，從而強烈地影響離子注入后的陶瓷表面力學(xué)性能。清華的研究人員首次采用金屬弧(MEVVA )源對氧化鋁、氮化硅等陶瓷刀具進(jìn)行了注入金屬Ti、 Zr和Cr離子改性研究，確定了注入劑量與陶瓷刀具性能的之間的關(guān)系。改性后陶瓷材料表觀(guān)納米硬度、楊氏模量和抗彎強度最大分別可以增加51%、41%和66%，刀具壽命比改性前提高2到12倍。

　　又如硅離子注入聚合物表面改性的研究。用MEVVA離子源引出的Si離子注人聚醋薄膜(PET)。硅離子注人聚合物后，聚合物表面結構的變化使抗磨損特性發(fā)生了變化，隨注人劑量的增加，其抗磨損能力增強，同時(shí)也與離子種類(lèi)相關(guān)。注人的硅原子很容易與沉積的碳相結合而形成SIC，SIC質(zhì)地堅硬，因此能有效改善聚合物表面強化特性。用納米硬度測量表明Si離子注人PET表面硬度和楊氏模量，其值分別比未注入PET大12.5和2.45倍.用透射電子顯微鏡對樣品橫截面觀(guān)察表明，硅和碳顆粒已經(jīng)形成，Si離子注入聚醋膜厚度大于200nm的強化層已經(jīng)形成.原子力顯微鏡觀(guān)察表明Si注人層表面比未注入層表面更平滑，從而使Si離子注人后的PET膜表面性能得到優(yōu)化處理。

　　由于金屬在水溶液中的腐蝕是最常見(jiàn)也是最主要的腐蝕現象，由于腐蝕發(fā)生在金屬表面,人們利用離子注入來(lái)改變金屬材料表面成分、結構和表面狀態(tài),以期達到材料表面抗腐蝕的效果。在H13鋼注入C和Ti形成抗腐蝕鈍化層，這種鈍化層既能抗酸性腐蝕,又具有優(yōu)良的抗堿性點(diǎn)蝕特性。研究表明表明,在C注量不變時(shí),增加Ti注量可使抗腐蝕特性增強;而在Ti注量不變時(shí),增加C注量可使抗點(diǎn)蝕特性增強。也有研究表明用Ti、C和Ti+C離子注入H13鋼表面會(huì )形成不同程度的納米相鑲嵌復合層，對鋼的表面硬度、摩擦系數和耐磨性能有很大的影響。經(jīng)過(guò)Ti+C雙注入的H13鋼熱擠壓模，擠壓鋁合金坯材達3噸后，模具孔徑尺寸尚未超差，型材表面質(zhì)量滿(mǎn)足要求，模具使用壽命提高3O倍以上。另外有研究表明經(jīng)過(guò)MEVVA源離子注入的抽氣泵，工作電流由6.3 A 以上降到4.7 A 以下，降低能耗25%以上，抽氣泵的工作狀況也比未注入的泵更加穩定可靠。

　　4.2.3 離子注入在薄膜制作中的應用

　　放電穩定、陰極材料蒸發(fā)離化率高、離子能量高和沉積速率快的陰極真空弧放電等離子體沉積(VAPD) 技術(shù)已廣泛地用于沉積金屬膜、類(lèi)金剛石膜、TiN 膜和半導體膜等薄膜或涂層的制備。所生成的薄膜具有膜層均勻、附著(zhù)力強、表面光潔、機械性能好等特點(diǎn),可按不同的要求應用于耐腐蝕、耐磨損及超高硬度涂層。近年來(lái),隨著(zhù)真空磁過(guò)濾沉積、激光消融等制備技術(shù)的出現和工藝的發(fā)展,人們獲得了sp3鍵含量大于85 %的類(lèi)金剛石(DLC) 膜。由于它呈現高度的金剛石特性,而且具有非晶結構,故也被稱(chēng)為非晶金剛石。它具有組織均勻、可以大面積沉積、成本低、表面平整等一系列優(yōu)點(diǎn)。真空磁過(guò)濾弧沉積技術(shù)是制備高質(zhì)量無(wú)氫非晶金剛石薄膜的理想方法,可以在室溫下高效率、大面積制備DLC 薄膜。有采用磁過(guò)濾MEVVA 源制備DLC 膜的研究表明，沉積能量對薄膜的sp3 鍵含量的影響為sp3 鍵含量先隨能量的增加而增加,當能量達100 eV 后,能量再增加薄膜中的sp3 鍵含量反而下降;非晶金剛石薄膜的硬度達到天然金剛石材料的硬度值,遠遠高于襯底材料的硬度值;摩擦因數大大低于襯底材料單晶硅的摩擦因數和不銹鋼的摩擦因數。

　　4.2.4 離子注入在生物誘變中的應用

　　離子注入是80年代興起的一種材料表面處理技術(shù)。我國曾有科研工作者把離子注入這一高技術(shù)率先應用于作物品種改良和生物效應研究，獲得了損傷輕、突變率高、突變譜廣的結果，令世人注目�？股�素在醫學(xué)、獸醫學(xué)、家畜飼養、植物保護學(xué)、生化研究等方面起巨大作用。曾有研究者將生長(cháng)良好的供試菌菌落或剛涂布于高氏一號瓊脂平皿的單抱子，置SA離子器靶室水冷底座上，控制溫度不超過(guò)50℃，由離子源引出荷能N+脈沖式注入，能量為30kev，注入劑量分別為:3x10、10X10、15x10、20x10、30x10、45X10 (N/cm)，考察離子注入對產(chǎn)量的影響。離子注入誘發(fā)變異所篩選到的正突變株經(jīng)考察較穩定。從15X10 N/cm處理獲得的正突變菌株篩選到15一32號菌株，其效價(jià)比出發(fā)菌株提高75.3%，從30x10N/cm處理中篩選到30一38號菌株比出發(fā)菌提高61.5%。將初篩獲得的效價(jià)較高的菌株48株，經(jīng)連續繁殖轉移三代后，再發(fā)酵測定效價(jià)，結果有75%的菌株保持或略高于第一代的效價(jià)，25%的菌株效價(jià)下降20~40%[18]。

　　需要說(shuō)明的是，MEVVA源作為一種高能粒子注入源，主要適合于金屬離子，對于非金屬離子注入(如N、Si、As等)的相關(guān)研究，譬如在生物誘種和半導體器件方面的應用，一般都不用MEVVA源，而是采用其他離子注入技術(shù)。

　　4.3 結論

　　經(jīng)過(guò)大量的調研，我們發(fā)現離子注入技術(shù)作為一種新型的表面改性技術(shù)，具有其它表面改性技術(shù)所不具備的突出優(yōu)點(diǎn)，不僅能量高、溫度低，而且可控性強，操作度高，因此不僅在材料科學(xué)與工程中獲得了廣泛的應用，還沿及生物科學(xué)，對當今全球糧食危機就如何提高糧食產(chǎn)量又提供了一個(gè)契機。MEVVA源離子注入技術(shù)首先被用在半導體參雜上取得了很好的成效;離子注入某些元素可以大大加強機械原件的物理性能而只改變其表面形態(tài)，這種技術(shù)已經(jīng)被用于一些高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)中;MEVVA源還可用于制備類(lèi)金剛石薄膜，另外由于MEVVA源屬于強流離子注入，是一種非平衡態(tài)過(guò)程，為對于擴散行為、薄膜的生長(cháng)過(guò)程和機理等理論研究提供了很好的研究方法。迄今為止已取得的研究成果表明，離子注入將為材料科學(xué)的理論研究和新材料的開(kāi)發(fā)應用做出越來(lái)越大的貢獻。

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