离子束表面处理技术

离子束表面处理技术离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。关键词：离子束加工离子注入表面处理Ionbeammachiningistheuseofionbeamsurfacemodificationofmaterialsformingorprocessingmethodsanditisan“atomiclevel”processtechnology.Ionimplantation.Ionbeamdeposition.andIntensepulsedionbeammaterialsmodificationhavebeenappliedindustry.somenewerionbeamprocesstechnologiesarebeingstudiedanddeveloped.Keywords:IonbeammachiningIonimplantationSurfaceTreatment离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。其构筑的工艺特性远超于其他工艺。因此，离子束表面处理有着诱人的研究和应用前景。1.离子注入离子注入是指离子从离子源中引出的离子经过加速管加速电位的加速获得很高的能量（动能），而后进入磁分析器使离子纯化，分析出的离子再加速，经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面，通过电荷积分仪精确地测量注入离子数量，调节注入离子的能量可精确地控制离子注入深度，故将它称之为精细掺杂。离子束注入技术:非金属离子注入。氮离子注入金属、钛合金、铝合金；碳离子注入金属；硼离子注入钢；氧离子注入钛合金、铝；气体离子注入材料等。金属离子注入。金属蒸发真空弧（MEVVA）离子源金属注入；钛离子注入钢表面；重金属离子注入H13钢；金属注入440C不锈钢等。此外还有离子注入WC合金钢，离子注入改善TiN和TiC沉积膜，长程离子注入，双注入和共注入等。以上离子的注入通过改变材料化学成分，结构，形成新相，通过改变材料的物理和化学特性，从而明显提高提高材料的硬度、抗疲劳性、抗磨损性、抗氧化特性和抗腐蚀性等。与一般的材料相比，离子束注入具有以下的特点：1)注入的元素和添加的元素可任意选取基本材料不受限制。同时注入或添加元素时不受温度和固溶度的限制，可在高温、低温和室温下进行。注入或添加的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响。2)可精确控制参杂数量和参杂深度。自动化程度高，可精确地注入量。离子注入横向扩散可忽略，深度均匀，参杂杂质纯度高。3)不会产生涂层，直接离子注入不改变工件尺寸，适合于精密机械件的表面处理，如航空，航天领域。4)功耗低，节省材料，处理成品率可以达到100%。5)不需要采用有毒化学物质，也不会产生任何有害的废物，实现绿色生产。6)适于各种固体材料和粉末材料的改性要求，如半导体、液晶、非晶态、金属和非金属材料等。7)存在生产效率低，加工成本高，设备复杂、投资高、技术难度达困难。同时存在常规的离子注入深度很浅，离子表面衍射使得离子注入很难得到高浓度掺杂等难题。2.离子束增强沉积离子束沉积原理。由蒸发构成的原子枪提供原子流，会沉积到沉底（材料）上形成薄膜，在沉积的过程中伴随离子束轰击，增加沉积原子能量，增强沉积。离子束增强沉积的基本结构：1）蒸发源（加热炉加热，电子束轰击或离子束轰击）提供原子蒸发流。2）在蒸发源的上方放置安装样品的样品台，在其下方放置离子枪，在沉积过程，进行离子束轰击。3）膜厚检测器:可安置在样品附近，用来检测沉积过程中薄膜厚度变化和蒸发速率。4）法拉利筒：可安置在样品附近，用来检测沉积过程中轰击的速流。5）真空靶室：所有上述部件均安放在一个大的真空靶中。6）进气源：为了进行离子化学反应成膜，可通入氮、氧和炭的化合物气体。表1-1应用膜材料基本材料厚度/mm沉积速率/(mm/min)抗腐蚀Al钢，Ti,合金=400002000Ca钢Zn钢抗磨损HfN,ZrN钢，Mo1000~500080~1000Tin,TiCN,BN钢，WC-CoTiC,WC高速钢，模具钢润滑Pb,Au,Mg,MoS2金属100~1000100~1000Al,MoSi2,PbSn金属合金，石墨塑料Cr,In(Sn)O塑料=10000光学装饰SiO2,ZrO2玻璃，塑料500~1000ZrC,TiC,TiN金属键合AgBe=100001000CuTa,W,Nb,氧化物X射线阳极Al,Mg,AgCu=40000离子束增强沉积在工业生产上得到广泛的应用，如表1-1所示。可以看出，用Ca、Al和Zn用于金属件抗腐蚀，沉积过程不含有氢脆现象的出现；用Ca沉积直升飞机部件，可以阻止海水腐蚀；用离子束增强沉积硬质碳化物和碳化物薄膜可以改善成型模具、刀具和工件的使用寿命，使寿命可以提高2到10倍。用离子束增强沉淀所得到的光学模具有致密而晶粒小的晶态结构，具有很好的光学特性等。由此可见，离子束增强沉淀（IBAD)技术是一项先进的镀膜技术，必将受到越来越多的青睐。3.强脉冲离子材料改进技术强脉冲离子束（IntensePulseIonBeam），亦称高功率脉冲离子束（High-powerPulseIonBeam）技术用于材料表面处理，是正在发展中的崭新的离子束材料技术。这种技术是利用短脉冲高功率密度的离子束照材料表面，引起材料表面快速加热和快速冷却改变材料表面的结构和成分。这种结构和成分的变化也即改变材料表面形貌、硬度、抗磨损特性和抗氧化等特性。IPIB技术的特点出自于超短脉冲和超高能量密度的离子束，在所注入的材料有着比常规离子束更强的相互作用，出现熔化汽化现象，使材料表面改性效果更强，改性更深，由此引起了以系列的特点。1）IPIB注入改性的主导因素是离子束的能量密度和功率密度，注入量在10^13--10^14/cm^2,即可以得到很好的改性效果。IPIB注入效率可以提高4个数量级。2）IPIB注入由于是材料表面绝热的快热和快冷的改性过程，表面形成了很好的改性层，而集体仍然保持室温，体材料不受影响。3）束斑打，注入效率高，处理速度高，且价格相对便宜。4)设备加工简单，结构紧凑，造价低廉，适合工业化生产。近十来年国际上在IPIB材料表面改性、界面混熔、薄膜沉积和纳米粉末颗粒合成等方面开展了广泛的研究并取得了很大进展，但是能够提供制定工艺依据的系统实验和相关报导非常少。尤其在我国对IPIB技术的研究还是个全新的领域，从装置技术到应用原理和工艺，以及对优先应用领域的开发等各个方面的研究工作都有待开展。其中脉冲能量密度效应是关键。除上述三种离子束表面处理技术之外，离子束还有离子刻蚀加工技术，磁过滤离子束沉淀技术，全方位离子注入技术等。离子束在医学，生物科学，DNA改性等方面发挥着无可取代的地位。4.国内外进行的一些研究随着离子注入工业的发展，科学家在各个领域都取得了不同大小的进展。2008年6月间在美国加州蒙特雷举办了17届国际离子注入技术大会（IIT2008）会议主要内容广泛涉及注入半导体工业的技术与工艺，如掺杂工艺，离子注入设备，材料科学，过程控制与生产效率，及新技术的研究与应用。超浅结工艺及其引发的问题是近些年以及未来相当一段时间内研究热点，是对离子束技术的挑战、会议表明，美日欧技术发达国家为实现离子掺杂的深降至10nm范围，在掌握非常低能量的强流离子掺杂技术上，已经投入很大力量，取得重要进展，看到了希望。英国的哈威尔（Harwell）有限公司，美国Zemet公司，欧洲各国，俄罗斯等在粒子注入技术方面都取得了重大的研究成果。美国用离子注入滚珠轴承可以形成自润滑，使寿命可以提高400倍。在军工，航天和卫星上得以应用。我国于80年代初开始离子束加工技术研究。其中对离子注入工艺研究较为深入。目前我国在生物技术领域的应用成果丰硕。利用离子束重组DNA，育成的Vc高产新菌株，在国际上处于领先水平。利用离子束辅助农杆菌遗传转化法，育成了一批抗病(虫)转基因水稻新品系；利用离子束介导法将玉米DNA转入水稻，育成了一批光合效率比原品种高80％的高光效水稻；将大豆DNA转入小麦，育成了蛋白含量高达25．3％的高蛋白小麦。有关论文在国际上产生了重大影响。另外在国内，重金属离子束注入制备高隔离活性相催化材料及其在选择氧化反应中的应用、陆地棉花粉氮离子束注入引起的生物学效应研究，N+离子束注入米曲霉诱变效应的研究，离子束注入后对番茄特征特性的诱变效应，低能离子束注入甘草的当代刺激效应和诱变效应的RAPD分析，低能离子束注入红色链霉菌的育种研究，超低能氮离子束注入二倍体水稻的生物学效应和低能氮离子束注入马齿苋的生物学效应研究等都取得了一定的成果。5．离子束技术发展展望独具特色的离子束注入技术，离子束沉积，强脉冲离子束材料改性等在优化材料表层具有其他工艺无法取代的特性，在工业中得到广泛应用。离子束注入硬化膜可以得到超硬膜，离子束最引人注意的是合成多层膜，特别是多层纳米薄膜，这在未来工程工业应用中将起到其他技术无法达到的效果。离子束的独特的技术，在改造传统工艺中必将发挥更大的作用，取代低效率，高能量、高消耗和高污染的老传统工艺，建立新型绿色工业，在国民经济和国防建设中发挥重要作用。参考文献[1]吉卫喜.现代制造技术与装备．北京：高等教育出版社2005.[2]张通和，吴瑜光.离子束表面工程技术与应用．北京：机械工业出版社2005.[3]饶勤.离子束加工及其在航天工业中的应用.航空工程与维修.1995.[4]过骐千.电子束_离子束加工技术简介.电工技术杂志.1994,(05).[5]张荟星.先进离子束注入技术的工业应用.材料导报.2001,(02).[6]郭毓峰,邱维维.宇航材料工艺.2009,(06).[7]方尚兴.离子束加工新技术.广东科技.1997(03)[8]陈峰.第16届离子束材料改性国际会议.国际学术动态.2009,(06).[9]李禾.离子束：造福未来生活.世界博览.2009,(02).[10]徐宗伟,房丰洲等.电子显微学报.2009,(01).[11]吕树国;刘常升deng.氮离子束轰击对电弧离子镀TiN膜层的作用.材料保护.2009(02).[12]吕树国，刘常升.氮离子束轰击W18Cr4V高速钢的表面效应.材料与冶金学报.2009(01).[13]丁明清，黄明光等.离子束表面处理抑制空间行波管多级降压收集级二次电子发射的研究.真空科学与技术学报.2009，(03).[14]王梅,王目,孔刘宇.等离子束表面冶金制备铁基梯度涂层的研究.硬质合金.2009，(02).[15]钱海霞.微米/纳米加工中的聚焦离子束技术.广东化工.2009，(07).[16]赵渭江;颜莎.强脉冲离子束材料表面改性研究进展.核技术.2003，(02).[17]尚怡君颜莎.强脉冲离子束对Ni/Ti和Al/Ti体系的辐照混合研究.北京大学学报2008，（01）.