離子注入技術(shù)原理

離子注入技術(shù)原理

離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)加速后高速射向材料表面，當(dāng)離子進(jìn)入表面，將與固體中的原子碰撞，將其擠進(jìn)內(nèi)部，并在其射程前后和側(cè)面激發(fā)出一個尾跡。這些撞離原子再與其它原子碰撞，后者再繼續(xù)下去，大約在10-11s內(nèi)，材料中將建立一個有數(shù)百個間隙原子和空位的區(qū)域（如圖1所示）。這所謂碰撞級聯(lián)雖然不能完全理解為一個熱過程，但經(jīng)常看成是一個熱能很集中的峰。一個帶有100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之前，可進(jìn)入到數(shù)百到數(shù)千原子層。當(dāng)材料回復(fù)到平衡，大多數(shù)原子回到正常的點陣位置，而留下一些“凍結(jié)”的空位和間隙原子。這一過程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表層。離子和損傷的分布大體為高斯分布。
整個阻止過程的時間僅用10-11s，位移原子的停留也是在相近時間內(nèi)完成的，所以全過程很像發(fā)生在長約0.1μm和直徑為0.02μm 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱－淬火與新原子注入材料中相結(jié)合，其結(jié)果可產(chǎn)生一些獨特的性能。
離子注入的深度是離子能量和質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)。能量愈高，注入愈深。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。
一旦到達(dá)表面，離子本身就被中和，并成為材料的整體部分，所以注入層不會像常規(guī)那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間，甚至與真空室內(nèi)的殘余氣體化合生成常規(guī)合金或化合物。
由于注入時高能離子束提供反應(yīng)后的驅(qū)動力，故有可能在注入材料中形成常規(guī)熱力學(xué)方式不能獲得的亞穩(wěn)態(tài)或“非平衡態(tài)”化合物這就可能使一種元素的添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常熱溶解的數(shù)量。

用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。

離子注入技術(shù)是把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進(jìn)行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術(shù)。材料經(jīng)離子注入后，其表面的物理、化學(xué)及機(jī)械性能會發(fā)生顯著的變化。

離子注入系統(tǒng)原理圖