等離子體浸沒離子注入介質(zhì)材料鞘層演化規(guī)律

朱文艷

（重慶公共運輸職業(yè)學院，重慶，402247）

等離子體浸沒離子注入介質(zhì)材料鞘層演化規(guī)律

朱文艷

（重慶公共運輸職業(yè)學院，重慶，402247）

等離子體浸沒離子注入（Plasma-immersion-ion-implantation,簡稱PIII）已被廣泛應用于金屬、半導體以及絕緣介質(zhì)材料改性等領域。通過一維流體力學模型，利用C語言實現(xiàn)編程，對一維平面介質(zhì)靶鞘層特性進行了數(shù)值模擬，得到了鞘層的演化規(guī)律，模擬的結(jié)果可以為優(yōu)化實際的工藝參數(shù)提供參考。

等離子體浸沒離子注入；冷流體力學模型；鞘層；數(shù)值模擬

1 等離子體浸沒離子注入技術及其應用

等離子體是繼固液氣之后排在第四位的物質(zhì)形態(tài)，所以也被稱物質(zhì)的第四態(tài)。其中基于等離子體的離子注入是有關等離子體的很有實際意義的應用。1988年Tendys等提出了PIII（Plasma Immersion Ion Implantation）表面改性技術。

在實際的PIII工藝過程中我們將被處理物體以浸泡式方法置于等離子體中，然后在靶上加一負脈沖形式電壓，這樣就會把靶周圍電子急速“排擠”掉，留下的正離子在物體表面附近形成起關鍵作用的鞘層。之后離子就會受到鞘層內(nèi)電場的靜電作用力，全方位進入到待處理物體表層。如果形成的離子鞘層形狀和靶的形狀相似，入射離子就可以實現(xiàn)全方位垂直均勻注入物體表層。

PIII技術可以應用于金屬領域。國內(nèi)的一些重點實驗室曾采用PIII工藝對9Cr18軸承鋼表層進行了雙注入及共注入Ti+N工藝處理[1]。將處理前后的樣品進行比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過PIII處理的樣品在顯微硬度性能方面有了明顯的改善。劉洪喜和湯寶寅[2]等就合金材料Ti6Al4V的表面性質(zhì)改良也使用了不同等離子體源的PIII工藝。氮離子被實現(xiàn)注入基體材料之后，材料的顯微硬度和抗摩擦磨損性能都得到明顯改善增強。

PIII在半導體領域也有著廣泛應用[3]。首先是Silicon-On-Insulator（SOI）材料的制備。現(xiàn)在SOI材料主要有注氧隔離的SIMOX（Separation By Implanted Oxygen)材料和智能剝離的（Smart-cut）SOI材料。以上的兩種SOI材料的制備過程都涉及到離子注入這一工藝。

PIII技術對生物領域的一些特定的材料也可實施改性。Briem、甘抗[4]等都就PEEK表面的骨向分化能力利用PIII改性進行了研究。以NH4/Ar等離子體源進行改性之后，PEEK表面的成骨細胞的增殖得到促進；利用氮氣等離子體源改性之后，使得PEEK的生物學活性有所提高，而且表面抗細菌黏附性能也得到了改善。

2 PIII介質(zhì)材料鞘層演化的一維流體模型

2.1 鞘層理論

在一般的情況下，主等離子體區(qū)中在宏觀表現(xiàn)上滿足以下的電中性條件：當?shù)入x子體與固體接觸時，在一個等離子體與固體表面接觸的一段區(qū)間內(nèi)電中性條件不再成立，這就是等離子體鞘層。

在PIII進行過程中，我們將進行離子注入處理的物體浸在等離子體中，然后開啟幅值很大的負脈沖形式電壓，在脈沖持續(xù)的階段，物體的表面附近就會產(chǎn)生很強的電場，離子在電場力的作用下會朝著物體表面作加速運動。這時會有以下事實：電子和離子在質(zhì)量這個物理量的對比中，是遠遠小于關系，相應等離子體中電子的響應時間遠遠小于離子的響應時間，當電子已經(jīng)響應運動時離子還沒來得及動，而且電勢沿著工件表面到等離子體區(qū)方向降落。隨后，在離子也開始響應的一段時間內(nèi)，離子不斷被加速且以一定的能量注入到介質(zhì)表面，隨著注入的繼續(xù)持續(xù)，鞘層內(nèi)的離子就會不斷減少，為了保證鞘層內(nèi)離子的數(shù)量，鞘層就會朝著等離子體區(qū)不斷擴展，使得更多的離子進入鞘層來屏蔽介質(zhì)靶表面的負電勢，不斷地注入到介質(zhì)靶表面，最終實現(xiàn)PIII表層性質(zhì)的改變。

綜上可知，在PIII過程中，施加負的脈沖形式的電壓之后形成的離子鞘層是實現(xiàn)離子注入的關鍵因素，而且鞘層的演化規(guī)律關系著離子注入的最終結(jié)果，所以對鞘層的大量研究很有價值。

2.2 碰撞鞘層冷流體力學模型

現(xiàn)在假設有一厚度為d的介質(zhì)靶完全處于等離子體中，且等離子體是均勻的，離子、電子和等離子體的密度均為 n0。一金屬電極置于介質(zhì)基板下面，且在金屬電極上加以負的脈沖形式的電壓

這樣密度為ni，流速為νi的離子就可以使用以下的冷流體方程組來描述：

采用的邊界條件有： ni( s , t ) = ne(s , t)， vi( s , t) = uB，

利用邊界條件和方程組就可以描述鞘層的演化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果及討論

首先在以下的討論中，我們設置加在金屬電極上的脈沖表達式如下：

在以下的模擬計算中，采用的工作氣體是氮氣，而且考慮的離子只有 N2+離子，待處理物體的介質(zhì)層材料是三氧化二鋁（ A l2O3），其相對介電常數(shù) εr=8.8，電子溫度為kTee= 1 eV等離子體密度 n0= 6 .8× 1 09cm-3，金屬電極上所施加負的脈沖形式的電壓幅值 Vp=-1 0kV，脈沖上升沿時間脈沖持續(xù)時間，脈沖下降沿時間。介質(zhì)靶的厚度d=1.0mm。

經(jīng)過模擬計算可以得到以下結(jié)論：隨著鞘層不斷變化，介質(zhì)靶表面離子被不斷注入，離子密度不斷減小。在某一固定時刻，從鞘層邊界到介質(zhì)靶表面，離子密度不斷減小。從負高壓脈沖開啟到關閉的這段時間，離子密度曲線以先快后慢的方式逐漸移向等離子體區(qū)。加上負脈沖偏壓后，電子符合玻爾茲曼分布，被很快地排斥到約150Dλ之外的區(qū)域。在鞘層與等離子體區(qū)分界處，電子密度的增加方式幾乎是垂直式的。在鞘層區(qū)域，電子密度基本是零，而離子密度比較均勻。隨著離子不斷注入以及鞘層不斷變化，介質(zhì)靶表面的電勢幅值不斷減小，而且在脈沖下降沿開始的時候，表面電勢值降低很明顯。鞘層內(nèi)電場分布不均勻，在鞘層與等離子體的分界處下降得很快。在脈沖下降沿時間內(nèi)，電場值很小。當脈沖開始下降的時候，不管是電勢還是電場，變化的幅度很大，而且在下降的時間內(nèi)二者的變化沒有在脈沖開始時變化的幅度大。當負高壓加在介質(zhì)材料上面時，鞘層會不斷地向外擴展，其厚度不斷增加，而且增加的速率逐漸減小。當脈沖開始下降時，鞘層的厚度不斷減小，到脈沖結(jié)束時減小到接近零的位置。離子流密度很快上升到最大值并且在很短時間內(nèi)快速降低，隨后緩慢減小到零。注入介質(zhì)表面離子的能量在脈沖剛開始階段，快速增大，后來在脈沖下降沿時間內(nèi)，能量有所減小。

4 結(jié)語

本文通過建立一維流體力學模型，利用C語言實現(xiàn)模型的構建，數(shù)值模擬研究了介質(zhì)靶材料的PIII過程。具體研究的是一維平板模型，待處理物體是絕緣介質(zhì)材料，在實際的PIII過程中，通過建立一維冷流體模型研究了待處理物體表層附近鞘層的變化規(guī)律。模型中利用離子的冷流體方程、泊松方程以及介質(zhì)材料表面的充電方程分別確定了離子的運動、鞘層內(nèi)的電勢電場分布和表面電勢的演化規(guī)律。通過具體的數(shù)值模擬計算，我們可以發(fā)現(xiàn)：在單個負的脈沖高壓的作用下，鞘層內(nèi)各物理量的演化是非均勻的并且絕緣材質(zhì)的待處理物體在具體的PIII過程中會產(chǎn)生表面充電效應.

[1]蔣釗,周暉,桑瑞鵬,等.空間用 9Cr18 鋼 PIII 復合離子注入表面改性工藝研究[J].宇航材料工藝, 2013(3):100-104.

[2]湯寶寅,王浪平.等離子體浸泡式離子注入與沉積技術[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012.

[3]朱鳴.新結(jié)構SOI材料與器件物理研究[D].中國科學院研究生院(上海微系統(tǒng)與信息技術研究所),2005.

[4]甘抗.聚醚醚酮植入材料表面改性的實驗研究[D].吉林大學,2016.

Evolution of sheath in plasma immersion ion implantation

Zhu Wenyan
(Chongqing public transport Career Academy,Chongqing,402247)

Plasma immersion ion implantation (Plasma-immersion-ion-implantation, referred to as PIII) has been widely used in metal, semiconductor and insulating materials. Through the field of modified onedimensional hydrodynamic model, using C programming language, the one-dimensional planar dielectric sheath characteristics are investigated by numerical simulation, obtained the evolution law of the sheath,simulation the results can provide a reference for the optimization of process parameters in practice.

plasma immersion ion implantation; cold fluid mechanics model; sheath; numerical simulation

重慶市高等職業(yè)院校專業(yè)能力建設（骨干專業(yè)：城市軌道交通機電技術專業(yè)）項目成果之一。