王曼星

摘 要：

概述等離子體應(yīng)用于材料表面改性的基本原理以及等離子體表面改性的幾種方式，主要有離子注入、等離子體物理氣相沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。

關(guān)鍵詞：

等離子體;表面改性;離子注入

中圖分類號：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2014）23019201

1 等離子體與材料表面的相互作用

1.1 表面吸附

等離子體中的中性粒子將不受鞘層電場的作用，直接向表面遷移。通常固體表面的能態(tài)總是高于其內(nèi)部的能態(tài)，過剩的自由能將保留在固體表面。當(dāng)中性粒子附著在固體表面時，將使表面的白由能降低。這種吸附過程總是伴隨著熱量的產(chǎn)生。實(shí)際上，當(dāng)中性粒子接近表面時，它將受到表面原子的吸引力作用而做加速運(yùn)動，并進(jìn)入低勢能的區(qū)域。對于溫度為Ta氣壓為P的工作氣體，撞擊到固體表面上單位面積的中性粒子數(shù)可由Harz-Knudsen方程給出得：

Np=p（2πMkBTa）-12

其中M是中性粒子的質(zhì)量。并不是所有撞擊到固體表面上的中性粒子都可以被表面吸附，這與撞擊粒子的種類、能量及表面的性能有關(guān)。被吸附的粒子數(shù)Na與撞擊到表面的粒子數(shù)之比a=Na/Np被稱為吸附率。

1.2 離子注入

當(dāng)入射離子的速度方向與固體表面的夾角大于某一臨界角，它將能夠進(jìn)入固體表面層，與固體中的原子發(fā)生一系列的彈性和非彈性碰撞，同時不斷地?fù)p失其能量。當(dāng)人射離子的能量損失到某一定的值Ec（約為20eV左右）時，將停止在固體中不再運(yùn)動。上述過程被稱為離子注入過程。

1.3 原子的級聯(lián)運(yùn)動

當(dāng)固體中的原子同入射離子碰撞時獲得的能量大于某一閾值時，將做反沖運(yùn)動。該反沖原子會與其他靜止原子發(fā)生碰撞，形成新的反沖原子。如此依次下去，形成一系列原子的運(yùn)動，被稱為原子的級聯(lián)運(yùn)動。

1.4 濺射現(xiàn)象

當(dāng)級聯(lián)運(yùn)動的原子運(yùn)動到固體表面時，如果其能量大于表面的勢壘，將克服表面的束縛而飛出材料表面層，這就是濺射現(xiàn)象。

1.5 二次電子發(fā)射

當(dāng)固體表面受到載能粒子轟擊時，產(chǎn)生電子從材料表面發(fā)射出來的現(xiàn)象被稱為二次電子發(fā)射。

2 離子注入

離子注入對材料表面改性的原理是利用高能帶電離子（氣體和金屬離子）轟擊材料表面，通過載能離子的能量傳遞和介質(zhì)摻雜與合金化，在材料表面產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而表面的晶格結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化。

離子注入與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）理論上可將任何元素注入基體材料的近表面層，而不受熱力學(xué)的限制;

（2）注入元素和基體材料的選配不受限制，注入劑量不受材料溶解度的局限，且可以得到常規(guī)方法不能得到的表面層結(jié)構(gòu);

（3）注入層和基體材料之間無明顯界面，不存在脫落分層問題，不妨礙基體傳熱;

（4）注入元素的劑量和注入深度可精確控制，易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn);

（5）可在低溫、室溫和高溫等不同溫度下進(jìn)行離子注入;

（6）注入工件表面的元素均勻性好;

（7）注入工件表面的元素純度較高;

（8）不會產(chǎn)生環(huán)境污染。

離子注入的深度：

載能的入射離子射人固體中，與固體原子相互碰撞而逐漸損失自身能量，并最終在固體某一位置停留下來，離子在入射靶材中所經(jīng)過的路程稱為射程R，同原子相互作用稱為核阻止，其能量損失為核阻止能量損失，記為（dEdx）Λ。同電子碰撞稱為電子阻止，能量損失稱為電子能量損失（dEdx）e，總的能量損失為：

dEdx=（dEdx）n+（dEdx）e=N（Sn（E）+Se（E））e

對上式進(jìn)行積分，得出射程R：

R（E）=1N∫E0dESn（E）+Se（E）

R表面上的進(jìn)入點(diǎn)到停止位置之間的總距離。但對離子注入來說，具有實(shí)用意義的是入射離子在入射方向上的投影射程稱為平均投影射程。在高能時，電子碰撞損失能量占優(yōu)勢，入射離子輕掠過靶子，偏轉(zhuǎn)較小。但在路程的末端部分，由于彈性核碰撞產(chǎn)生大角散射，因此，注入的平均距離小于運(yùn)行的總距離尺R。

在離子注入中，重要的參數(shù)是垂直于表面的平均穿透深度，在大多數(shù)注入中，入射束方向和表面法線方向間的夾角θ較小，θ<5°時，R和平均穿透深度幾乎相同。對于傾斜入射的情形=R cosθ。

以上只討論了離子注入的總射程R和平均射程，在離子注入中，離子的射程偏差ΔR（又稱離子的標(biāo)準(zhǔn)偏差），也是重要的參量，它決定離子在靶中的濃度和分布形式。林德哈德等人從大量的向Si中注入離子的實(shí)驗(yàn)中，提出了射程理論（LSS理論）。通常，對于非晶體靶，入射離子在靶中的射程分布主要由離子的能量、質(zhì)量、原子序數(shù)和靶的原子質(zhì)量、原子序數(shù)、靶的原子密度以及進(jìn)行注入時靶的溫度、離子的劑量與劑量率等多種因素決定。吉邦斯根據(jù)LSS理論計(jì)算了各種離子在靶中的平均投影射程及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Δ當(dāng)離子束傾斜入射時，Δ2=ΔR2cos2θ+12R2⊥sin2θ，θ是入射束與表面法線間的夾角，R⊥是橫向離散，即離子在垂直入射束方向的平面內(nèi)的位移。

入射到固體表面下的離子將在固體中引起級聯(lián)碰撞，當(dāng)固體中的原子從入射離子獲得的能量遠(yuǎn)高于原子間的結(jié)合能時，這種晶格原子將成為反沖原子，在固體中引起次級的級聯(lián)碰撞。在此過程中，如果固體原子質(zhì)量大而且反沖能量又高時，則可能會在固體中引起無序相，如果反沖級聯(lián)發(fā)生在固體近表面幾個原子層內(nèi)，那么反沖原子可能將克服表面勢壘而飛離表面形成濺射原子。因此，在離子注入過程中，注入與濺射共同存在的。

參考文獻(xiàn)

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