离子注入表面改性技术-
离子注入技术改性聚酰亚胺薄膜的研究进展
耐磨损的表面 ， 试样 横截 面 的透射 电子 显微 镜 （ Ｅ 分析 Ｔ Ｍ） 结果表明 ， 在注入层 中不存在金属颗粒及 ＷＣ复合物 ， ｗ～ ｃ
键 可 能 抑 制 了钨 原 子 的 迁 移 ； 注入 剂量 为 １×１ ｉ ｓ ｅ 当 ０ ｏ ／ｒ ｎ ａ
于 ：１ 离子注入 是借 助于 电场力 将离 子 注入基 体材 料 中 ， （） 原则上可将任何元 素引入到 固体 中， 而不受 固溶度 和热平衡 的限制 ；２ 注入离子在基体 中与基体原 子混合 而无 明显界 （）
Ｓ Ｆ 等各种金属或 非金 属离子 ） 速 到几万 、 ｉ ｅ 、 加 几十 万甚 至更 高电子伏 特 ， 然后注入 固体材料表 面层 的技术 。材料 经 离子 注入 后 ， 表面层 的成 分和结 构都会 改变 ， 进而 导致其 物
理 、 学 、 学 性 能 发生 极 大 变化 。 化 力 相对 于 其 它 表 面 改 性 技 术 ， 子 注 入 技 术 的 优 越 性 在 离
真空条件下进行 ， 整个 过程清 洁而无 环境污染 ， 注入 的材 被 料或零件不会产生变形 ， 能保 持其 原有 的尺寸精度 。
聚 酰 亚 胺 （ Ｉ 是 主 链 中 含 有 酰 亚 胺 环 单 元 的一 类 芳 杂 Ｐ）
后， 发现薄膜中生成了纳米尺寸的金属纳米颗粒 ； 而用 Ｆ 、 ｅ ｗ 和 Ｋ离子对 Ｐ 薄膜注入却没有发现相应的金属纳米颗粒 生 Ｉ
成。
环高分子化合物 ， 因其优 异的热稳 定性 、 力学性能 、 耐化学药 品性 以及 高介 电性能 等 ， 在很 多领域都 有广泛 的应 用 ， 尤
其 是 在 核 电站 、 用 飞 机 和 太 空 飞 船 上 。 近 年 来 ， 离 子 注 军 用
离子注入对金属材料改性
离子注入材料表面改性的研究方法【摘要】本文论述了离子注入材料表面改性的特点和发展应用，阐述了离子注入材料表面改性的机理。
大量研究表明，离子注入通过改变材料表面和界面的物理化学特性及微观结构，能够显著提高材料的抗磨损，抗疲劳，抗腐蚀，抗氧化特性。
离子注入不仅可以提高材料表面性能，延长材料使用寿命，还可以节约贵金属资源，具有很好的经济效益和应用前景。
【关键词】离子注入技术；材料表面改性；研究方法1.前言20世纪70年代，离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。
它是把工作(金属，合金，陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，通过加高电压，把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。
材料经离子注入后，在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤，从而使材料的物理化学性能发生显著变化。
大量实验证实，离子注入能使金属和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性以及某些材料的超导性能，催化性能，光学性能等发生显著变化，能够大大提高材料的性能和使用寿命。
离子注入在工业中应用能取得很好的效益，除延长工件的使用寿命外，还由于离子注入仅用较少量的合金元素，就可以得到较高的表面合金浓度，因而可以节约贵重金属[1]。
2.离子注入特点与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的，因而有其特点:(1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2-3个数量级。
因此，原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。
(2)注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。
(3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。
(4)离子注入可以通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。
(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密部件的最后工序。
ldd离子注入原理 -回复
ldd离子注入原理-回复ldd离子注入原理是一种常用的表面改性技术，主要应用于材料科学和半导体工艺领域。
ldd（Lightly Doped Drain）指的是轻度掺杂漏极区，离子注入则是一种将离子物种引入材料表面的方法。
本文将详细介绍ldd离子注入的原理、工艺步骤以及其在相关领域的应用。
1. ldd离子注入原理介绍ldd离子注入原理基于半导体器件中金属和半导体之间的pn结。
通过在器件的一个区域控制性地注入离子，可以调整该区域的电学性能。
ldd离子注入技术的主要目的是控制漏极区域的电阻和阈值电压，以提高器件的性能。
2. ldd离子注入的工艺步骤ldd离子注入的工艺步骤主要包括掩膜制备、离子注入、退火和电子束曝光。
下面将详细介绍每个步骤的具体过程：2.1 掩膜制备掩膜制备是整个离子注入工艺的第一步，主要是为了确定要注入离子的区域。
常用的掩膜材料有光刻胶和二氧化硅等。
首先，在材料表面涂覆一层光刻胶，并用掩膜板进行曝光和显影，以形成期望的图案。
然后，利用湿法或干法等方法去除不需要的区域的光刻胶，得到完整的掩膜。
2.2 离子注入离子注入是ldd离子注入工艺中最关键的步骤。
注入的离子物种根据具体的应用而定，常见的有硼、砷、磷等。
首先，将待注入的半导体器件放入一个离子注入机，通过加速电场将离子物种引入器件的表面。
控制离子注入的能量和剂量可以在漏极区域形成特定的电学性能。
2.3 退火退火是离子注入后的一个重要步骤，目的是消除材料中的损伤和缺陷，并使离子更好地分布和结合。
一般通过高温处理来实现退火，温度和时间的选择要考虑到材料的特性和离子的性质。
2.4 电子束曝光电子束曝光是ldd离子注入工艺的最后一步，主要是为了去除掩膜，并用电子束照射来调整器件的性能。
通过电子束曝光可以消除掩膜带来的电学性能变化，得到最终的ldd离子注入器件。
3. ldd离子注入在相关领域的应用ldd离子注入技术在材料科学和半导体工艺领域有着广泛的应用。
第七章 表面改性技术-离子束表面改性
关于离子束 离子注入表面改性的原理 离子注入表面改性的过程 离子注入表面改性的几种方式 离子注入表面改性的示意图 离子注入表面改性的优缺点 视频
真空中有一束离子束射向一块固体材料 时会发生哪些现象呢？
• 离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这 个现象叫做溅射；
• 离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或 者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；
• 离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度 慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就 叫做离子注入。
离子产生
气态元素的离子化比较容易，如常用的氮气， 把氮气引入离子注入机的离子源内，在存在高温灯 丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成等离子 体，正离子经狭缝从离子源中被抽出，随后被加速。
离子注入技术优点：
• 5）离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量 很高，可以高出热平衡能量的2～3个数量级。因此， 原则上讲，周期表上的任何元素，都可注入任何基 体材料。
• 6) 注入元素的种类、能量、剂量均可选择，不受扩 散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用 其它方法得不到的新合金相。
⑥离子扫描。
因被引出的离子束一般为批～2mm的细束，或 lmmX40mm的长条束而难以大面积注入，故要对其进行X 和y方向扫描，即在X平板或y平板上加上一定扫描频率的 三角波电位来实现X和y方向均匀扫描。
⑦注入量的精确测量。
注入到晶片上的离子数量可用法拉第筒进行精确测量， 并用电荷积分仪来精确计量流人法拉 • 2）无需热激活，无需高温环境，因而不会改变工
件的外形尺寸和表面光洁度 • 3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物
理和化学相互作用而形成的一个新表面层，相对 于基体材料没有边缘清晰的界面，它与基体之间 不存在剥落问题，与基体结合牢固。 • 4）离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的 工件表面无形变、无氧化，能保持原有尺寸精度 和表面粗糙度，无需再进行机械加工和热处理。 特别适于高精密部件的最后工艺。
表面改性的离子束技术知识
目
CONTENCT
录
• 离子束技术概述 • 表面改性技术 • 离子束表面改性技术 • 离子束表面改性技术的应用 • 未来展望
01
离子束技术概述
离子束技术的定义
离子束技术是一种利用离子束对材料表面进行改性的技术，通过 离子束对材料表面的撞击和注入，实现材料表面的物理、化学和 机械性能的改变。
应用机遇
随着科技的不断进步，对高性能材料的需求日益增长，离子束表面改性技术在提高材料性能、延长使用寿命等方 面具有显著优势，具有广阔的市场前景。
离子束表面改性技术的未来研究方向Βιβλιοθήκη 010203
04
深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
详细描述
离子束技术通过将高能离子注入材料表面，诱导表面形成硬化层 和增强相，从而提高材料的硬度和耐磨损性能。这种改性方法在 金属、陶瓷和复合材料等领域得到广泛应用。
提高材料表面的耐腐蚀性
总结词
离子束表面改性技术通过改变材料表面的化学成分和结构，有效提高其耐腐蚀 性能，延长使用寿命。
详细描述
离子束技术可以改变材料表面的元素组成和微观结构，形成具有优异耐腐蚀性 能的表面层。这种改性方法在海洋工程、石油化工和汽车制造等领域具有广阔 的应用前景。
总结词
离子束表面改性技术能够优化材料表面 的光学性能，提高反射、吸收或散射等 特性。
VS
详细描述
离子束技术可以通过精细调控表面成分和 微观结构，实现对材料表面光学性能的优 化。这种改性方法在光学仪器、光电器件 和装饰行业等领域具有广泛的应用价值。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
离子注入技术的发展及其在材料方面的应用
离子注入技术的发展及其在材料方面的应用摘要离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。
它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。
有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。
本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。
关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导一、绪论离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。
八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。
由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。
日前，随着应用范围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。
近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。
注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。
在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。
离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。
经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。
目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。
各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。
二、关于离子注入的简单介绍（一）离子注入的定义离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。
离子注入表面改性技术在钛合金中的研究进展
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? 由于离子实在高能状态强行挤入基体的，因此 基体材料不受限制 ， 不受传统合金化规则如热力学、相平衡和固溶度等物理冶金学因素 的制约，可获取新合金相
? 注入元素进入基体后成高斯分布 ，不形成新的界面，没有因届满引 起的腐蚀、开裂等涂层易引起的缺陷，从而解决许多涂层技术中存 在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题
? 离子注入 功率消耗低 ，以表面合金代替整体合金，节约金属而且无 毒有利于环保
2016/3/28
4.1离子注入的特点
离子注入过程是一个 非平衡过程，高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失 能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大 部分不在晶格上，因而没有电活性。
2016/3/28
2016/3/28
核碰撞
? 核碰撞：能量为E的 一个注入离子与靶 原子核碰撞，离子 能量转移到原子核 上，结果将使离子 改变运动方向，而 靶原子核可能离开 原位，成为间隙原 子核，或只是能量 增加。
2016/3/28
碰撞参数 p≤r 1+r 2
核阻止本领 能量为E的注入离子在 单位密度靶内运动单 位长度时，损失给靶
4.1离子注入的特点 Disadvantages
? 设备一次性投资大、设备相对复杂、相对昂贵（ 尤其 是超低能量离子注入机 ）
? 注入时间长、注入深度浅，不适合复杂形态结构改性 ? 如会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改
进 ? 有不安全因素，如高压
2016/3/28
4.2 离子注入原理
1963年，Lindhard, Scharff and Schiott 首先确立 了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。
4.3离子注入在高分子材料表面改性中的应用
? 离子注入是一种利用物理方法控制分子聚集状态进行表面改 性的有效手段，通过离子注入高分子材料，不仅能提高材料 表面机械性能，而且可以改善高分子材料的导电性能、光学 特性和磁学性能等。
（1）离子注入提高表面硬度，增强抗磨损性能 ? 离子注入引起聚合物断链、交联，产生自由基和挥发性物质，
电子阻止本领
Se ?E ??
?? dE ? dx
?? ?e
?电子阻止本领和注入离子 的能量的平方根成正比。
? ? Se E ? Cv ion ? ke E 1/ 2
ke ? 0.2 ? 10 15 eV 1/? 离子注入对高分子材料的改性，是通过离 子注入使材料的结晶、组分以及分子空间 位置，是一种采用物理方法来达到化学目 的的手段。它可以进行任意元素的掺杂， 且注入离子的能量和剂量也可以任意选择， 不受化学方法中某些条件的限制。因此， 离子注入能迅速改变材料的组分和性能， 导致材料的化学和物理性能的改变。
? 低温过程 （因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）； 避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；
? 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小
? 高真空条件进行 不受环境影响，基体外表无残留物，能保持原有的 外廓尺寸精度和表面光洁度，特别适合 高精密部件 的最后工艺
2、在离子注入过程中，离子能量传递给晶格， 并促使高分子材料表面发生剧烈的结构变化。
4.2 离子注入原理
? 3、高分子材料受离子轰击，碳氮、碳氢及 碳氧键被打断，表现出新的化学键形成和 大分子构成元素的变化。
? 4、离子注入不只产生断键和交联，而且产 生导致新化学键形成的微合金。
2016/3/28
2016/3/28
4.2 离子注入原理
核碰撞 ：能量为 E的一个注入离子与靶原子核 碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离 子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位， 成为间隙原子核，或只是能量增加。 电子碰撞 ：指的是注入离子与靶内白由电子以 及束缚电子之间的碰撞。注入离子和靶原子周 围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失 去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子 发生移动。
2016/3/28
4.2 离子注入原理
离子注入对材料结构的影响
1、大分子链被打断成为活性自由基，自由基 之间相互结合生成三维网状交联结构。随着电 子阻止能量损失的增加，高分子材料的交联度 也相应增加，从而引起高分子材料力学性能的 变化。这种力学性能的改变程度依赖于离子注 入的种类、离子注入能量以及注入的方式。
离子注入的基本过程
?将某种元素的原子或携 带该元素的分子经离化 变成带电的离子
?在强电场中加速，获得 较高的动能
?注入材料表层（靶）以 改变这种材料表层的物 理或化学性质
2016/3/28
4.1离子注入的特点
Advantages
? 非热平衡过程 ，因此原则上可以将任何元素注入固体中，注入元素 的种类、能量和剂量均可选择，并能精确控制。
原子核的能量。
? ? Sn
E
?
? ???
dE dx
? ???n
电子碰撞
? 电子碰撞指的是注入离子与 靶内白由电子以及束缚电子 之间的碰撞。
? 注入离子和靶原子周围电子 云通过库仑作用，使离子和 电子碰撞失去能量，而束缚 电子被激发或电离，自由电 子发生移动。
? 瞬时地形成电子 -空穴对。
2016/3/28
第四节 离子注入表面改性技术
? 4.1 离子注入的特点 ? 4.2 离子注入的原理 ? 4.3 离子注入在高分子材料表面改性的应用
2016/3/28
4.1离子注入的特点
什么是离子注入
离子注入就是将工件放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏下， 把所需元素离子注入工作表面，形成一层在组织和结构上都不同于底材注入层， 从而改善材料性能
LSS 理论 ——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个 彼此独立的过程
(1) 核碰撞（nuclear stopping ） (2) 电子碰撞（electronic stopping ） 阻止本领（stopping power ）：材料中注入离子 的能量损失大小。