等離子體對材料表面改性作用研究

王曼星

摘 要：

概述等離子體應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、等離子增強化學氣相沉積。

關(guān)鍵詞：

等離子體;表面改性;離子注入

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：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。實際上，當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動，并進入低勢能的區(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，同時不斷地損失其能量。當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動。上述過程被稱為離子注入過程。

1.3 原子的級聯(lián)運動

當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動，被稱為原子的級聯(lián)運動。

1.4 濺射現(xiàn)象

當級聯(lián)運動的原子運動到固體表面時，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反應，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化技術(shù)相比，具有獨特的優(yōu)點：

（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

對上式進行積分，得出射程R：

R（E）=1N∫E0dESn（E）+Se（E）

R表面上的進入點到停止位置之間的總距離。但對離子注入來說，具有實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（又稱離子的標準偏差），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中注入離子的實驗中，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理論計算了各種離子在靶中的平均投影射程及其標準偏差Δ當離子束傾斜入射時，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，當固體中的原子從入射離子獲得的能量遠高于原子間的結(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

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