离子注入强化机理分析
5-离子注入解析
离子注入
内容
5.1 概述
5.2 离子注入原理
5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理 5.4 离子渗氮基本原理及工艺
5.1 概述
什么是离子注入
离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种
材料表层的物理或化学性质,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓
目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介 质的离子注入(GaPBⅡ)，而且可以进行金属的 注入(MePBⅡ)，以及金属和气体离子多元离子
复合注入。通常MePBⅡ的设备要比GaPBⅡ的
复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPBⅡ的 离子一般为一价或半价；而且MePBⅡ能提供 较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体 介质和金属离子的PBⅡ技术尚存在一定区别。
射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R
离子注入相关理论基础
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
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。 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）
位长度时，损失给靶 原子核的能量。
dE Sn E dx n
EOR damage（射程终点损伤）
Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).
影响注入离子分布的因素
实际上高能离子入射到衬底时，一小部分 与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面 反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象.
度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
离子注入机原理
离子注入机原理离子注入机是一种常见的材料表面改性和半导体器件制造技术。
它通过将离子束加速并注入到材料的表面，以改变其性质和功能。
本文将详细介绍离子注入机的原理和应用。
一、离子注入机的原理离子注入机的工作原理可以分为四个步骤：离子产生、离子加速、离子注入和材料特性改变。
1. 离子产生离子源是离子注入机的核心组件。
常用的离子源有离子源和中性原子源（电离源）。
离子源通过电离技术将物质中的原子或分子电离成离子，产生所需的离子束。
离子源通常由加热器、电离器和抽气装置组成。
2. 离子加速离子加速是将离子束加速到所需能量的过程。
离子加速器通常采用带电介质加速器（常称为“多片机”）或带电空间（栅格）加速器。
加速器中的电场将电离的离子加速，并使其进入到所需的能量范围。
3. 离子注入离子注入是将离子束引导和注入到材料的表面的过程。
注入系统通常由电磁场和真空室组成。
电磁场用于对离子束进行精确的定位和控制，真空室则提供了稳定和洁净的环境。
4. 材料特性改变当离子束注入到材料表面时，离子与材料原子相互作用，发生一系列的物理和化学过程，导致材料特性的改变。
这些改变可以是在材料表面形成特殊的化学结构、导致晶体结构的变化、改变材料的电学、光学和磁学性质等。
二、离子注入机的应用离子注入机在许多领域都有广泛的应用，如半导体器件制造、材料改性、成膜技术等。
1. 半导体器件制造离子注入是半导体器件制造中不可或缺的工艺步骤之一。
它用于在半导体晶片上形成杂质区域、控制器件电阻和击穿电压、改变禁带宽度等。
离子注入机在半导体行业中具有至关重要的地位。
2. 材料改性离子注入机还用于材料改性。
通过改变材料的性质和组成，可以使其具有特定的化学、物理和机械性能。
离子注入可以用于增强材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
3. 成膜技术离子注入机还可以用于薄膜的形成和改性。
通过离子注入，可以在材料表面形成氮化物、碳化物等附着层，从而改变薄膜的结构和性质。
成膜技术在光学、电子、航空等领域具有重要应用价值。
【精品】表面工程技术6离子注入
§6离子注入离子注入是核科学技术在材料工业方面的应用，其基本工艺是将几万到几十万eV 的高能离子流注入到固体材料表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，达到表面改质的目的. 离子注入技术首先应用于半导体材料。
该技术使大规模集成电路的研究和生产获得了极大的成功,70年代以后才开始用于金属材料的表面改质.§6.1离子注入的原理一、离子束和材料的相互作用1、离子与靶材原子相互作用过程(1）离子与靶材原子的相互作用高能离子（20～100keV ）以高速(107～108cm/sec ）射向靶材表面，与靶材相互作用，产生核碰撞(核阻止）、电子碰撞（电子阻止），并与靶材原子进行能量交换，其中核阻止起主要作用。
阻止本领的大小（即碰撞几率的大小）用阻止截面来表示。
注入的离子损失了原有能量，停在靶材内部。
经过一次碰撞，离子传递给靶原子的最大能量为：12max 12124()m m A E m m =+m 1、m 2分别为入射离子和靶原子质量。
E 1入射离子的初始能量。
当离子传递给靶原子的能量大于点阵对原子的束缚能时（A >E d ,E d 点阵原子束缚能,约为几十eV），离子撞击使点阵原子离开正常位置，产生一个空位和间隙原子。
当A>〉E d，离子撞击使原子获得很大的能量，离开原来的位置（即离位原子或反冲原子），获得能量的反冲原子和点阵中其它原子发生碰撞,产生更多的反冲原子，形成级联碰撞过程.离子的轰击，可以使靶材发生溅射，靶材中产生大量的置换原子、间隙原子和空位（即产生缺陷）；高速运动的离子终止在靶材中会产生热效应。
在热效应作用下,点阵缺陷开始迁移，形成间隙原子团、空位团（即位错环）。
(2)离子在靶材中的分布离子注入、能量交换是一个随机过程。
注入离子的浓度在靶材中的射程(即深度）中呈高斯分布。
2、离子撞击引起的效应概括为三种：①掺杂作用:引起材料表层的原子成分发生变化，如大规模集成电路采用的离子注入。
离子注入技术(Implant)
4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和 电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一 段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤ห้องสมุดไป่ตู้一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
基本结构：离子注入系统（传统）
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质 源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量 比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由 此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。 该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参 量（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
金属表面改性-离子注入技术
金属表面改性方法-离子注入技术(材料加工-铸造一班訾凌君 11S009103)摘要：系统介绍了金属表面改性用离子注入的机理和特点剖析了温度、注入剂量、离子种类等影响因子对改性层效果的影响，综述了该技术在提高强度和硬度、改善磨损性能、降低摩擦系数等方面的用途，展示了离子注入技术的开发方向和应用前景。
关键词：表面改性；离子注入；应用；Abstract: mechanism and characteristic of ion implantation using for improvement of surface properties of metallic materials are described systematically. Anatomy genes such as temperature, dosage and the kind of ion infection on improved layer, its applications such as enhancing hardness and strength; improving wear resistance reducing friction modulus have been reviewed, so as to indicate the direction of development and wide range of its use.Keywords: ion implantation; improvement of surface property of metallic materials application.1、前言现代科技的高速发展，对金属材料表面性能(抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳等)的要求日益提高，特别是高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求，广泛采用最近发展的金属表面处理技术及工艺(抛光、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、气相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术)虽然在各自领域发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和局限性，因而使得离子注人技术应运而生。
离子注入机原理
离子注入机原理
离子注入机是一种常用的材料工艺设备，用于在固体表面上注入离子，改变材料的性质。
其原理基于离子的物理和化学特性。
离子注入机的工作原理如下：
1. 离子源产生：离子源通常是一个离子源发生器，其中包含一个离子源。
通常使用电子轰击方法将气体或固体转化为离子。
电子轰击会使原子或分子中的一个电子被击出，产生正离子。
产生的离子经过加速器得到足够的能量。
2. 离子加速：离子源生成的离子进入加速器，通过电场或磁场获得高能量。
加速器的设计可以根据需要调节离子的能量和速度。
3. 离子束转向：加速器加速的离子束会进入离子束转向系统，通过电场或磁场的作用，使离子束按照设计的路径转向，然后进入目标材料。
4. 离子注入：离子束进入目标材料后，其能量转移到目标材料中的原子或分子上。
离子与目标材料的相互作用会引起材料的物理和化学变化，包括离子注入、原子位移和晶格缺陷的形成等。
5. 后处理：经过离子注入后，目标材料需要进行适当的后处理，以稳定和控制注入的离子产生的效果。
后处理可以包括退火、氧化、电镀等步骤。
总之，离子注入机通过产生离子源、加速离子、转向离子束并将离子注入目标材料的方式，实现了对材料性质的改变。
离子注入机 加速管原理
离子注入机加速管原理离子注入机是一种利用电场加速离子的设备。
它通过加速管的原理来实现离子的加速。
离子注入机主要由加速管、离子源、磁场调节器和控制系统等组成。
离子源是产生离子束的地方，它可以通过电离或其他方式将原子或分子转化为离子。
离子源产生的离子束进入加速管后，受到电场的作用而加速。
加速管内部有电极和电场发生器，电场发生器可以产生稳定的高压电场，使离子在电场的作用下获得动能。
离子在电场中受到的加速力与离子的电荷量、电场强度和离子的质量有关。
加速管内的电场强度可以通过调节电场发生器的电压来控制。
一般来说，电场强度越大，离子获得的动能越高，速度也就越快。
磁场调节器是用来调节离子束的方向和聚焦度的。
磁场调节器中的磁铁产生磁场，通过调节磁铁的磁场强度和方向，可以改变离子束的轨道和聚焦度，使离子束能够准确地照射到目标物上。
控制系统是离子注入机的核心部分，它负责控制离子源的工作状态、调节加速管的电场和监控磁场调节器的工作情况。
控制系统可以根据实际需求来调整离子注入机的参数，以达到最佳的加速效果。
离子注入机广泛应用于半导体制造、材料科学、生物医学等领域。
在半导体制造中，离子注入机可以将离子注入到半导体材料中，改变材料的导电性能，从而实现半导体器件的制造。
在材料科学中，离子注入机可以用来改变材料的表面性质或内部结构，从而获得新的材料特性。
在生物医学中，离子注入机可以用来治疗癌症和其他疾病，通过将离子注入人体组织中，破坏病变细胞或改变细胞的功能。
离子注入机利用加速管的原理，通过加速离子的方式实现离子注入。
它具有灵活可调的特点，可以根据不同的需求和应用场合进行参数调节。
离子注入机在半导体制造、材料科学和生物医学等领域具有重要的应用价值。
随着科技的不断进步，离子注入机的性能将会越来越优越，应用范围也将会更加广泛。
离子注入技术在材料强化中的应用研究
离子注入技术在材料强化中的应用研究离子注入技术是一种用高能离子束轰击物体表面的方法，以改变物体表面性质或深层结构的技术。
离子注入技术在材料强化中的应用研究已经展现出巨大的潜力。
本文将从材料强化的基本概念开始，介绍离子注入技术的原理和应用，以及它在材料强化中的优点和挑战。
【引入】材料强化是一项关键技术，可以改善物体的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性等方面。
过去，人们主要通过热处理、合金化、表面改性等方法来实现材料的强化。
然而，这些方法受到制造工艺、成本和资源的限制。
离子注入技术作为一种新兴的材料强化方法，可以在不改变物体整体性质的情况下，改变物体表面或深层结构，从而提升材料的性能。
【离子注入技术的原理】离子注入技术是利用离子束的高能量作用于物体表面或深层，使其发生物理和化学改变。
离子束会在物体表面形成一个高浓度的离子云，离子与原子发生相互作用，改变了原子的结构和分布。
这种改变可以增加材料的硬度、强度和耐磨性，从而增强材料的性能。
【离子注入技术的应用】离子注入技术在材料强化领域可以应用于多个方面。
首先是金属材料的强化。
离子注入可以改变金属表面的晶体结构，形成强化层，提高金属的硬度和抗磨损性能。
同时，离子注入还能在金属中形成固溶体，改善金属的耐腐蚀性能。
在航空航天、汽车和工程机械等领域中，离子注入技术已得到广泛应用。
其次是半导体材料的强化。
离子注入技术可以用于改变半导体材料的电子能带结构，从而提高材料的电导率和光学性能。
这对于光电子器件、集成电路等领域具有重要意义。
例如，离子注入技术可以用于制造高效的光伏电池或高性能的光子晶体。
离子注入技术还可以应用于陶瓷材料的强化。
陶瓷材料的常见问题是脆性和低强度，离子注入技术可以增加陶瓷材料的致密性和韧性，提高其耐磨性和结构稳定性。
这在陶瓷刀具、摩擦耐磨材料等领域具有重要应用价值。
最后是聚合物材料的强化。
聚合物材料通常具有较低的熔点和强度，离子注入技术可以改变聚合物材料的分子结构和交联程度，增加其热稳定性和力学性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
离子注入表面强化机理分析
汲雪飞刘先黎王宝山韩文君
摘要分析了离子注入表面强化的
机理
离子注入表面强化碰撞
０ 前言
离子注入是近几十年来逐渐发展起来的一种新颖的表面改性方法
人门开始采用离子注入法进行金属表面合金强化的研究
离子注入已在表面非晶化表面改性和离子与材料表面相互作用等发面取得了可喜的研究成果并逐步进入了推广应用阶段
经高压电场作用后以改变其表层的成分与性能的真空处理工艺亚稳定相大大改善了工作的使用性能
被电离的离子在电场作用下加速运动
并与表层晶体中原子核和电子发生碰撞离子不断消耗其能量
随着其能量不断减少
１．１ 核碰撞
注入离子与基体表层晶体内原子核的碰撞是个弹性碰撞过程
在离子能量比较低时
１．２ 电子碰撞
注入离子与基体表层晶体内电子的碰撞是个非弹性碰撞过程
电离或X射线发射电子碰撞是主要的
离子经多次碰撞后能量耗尽而停止运动单个离子在单位距离上的能量损失可以表示为两种能量损失之和
d E/d x = N [ Sn(E) + Sn(E) ]
E 注入离子在基体表层内x处的能量
Sn(E) 能量为E 的注入离子在基体表层内
x时传递给基体表层内电子的能量
２ 离子注入强化机理
２．１ 辐照损伤强化
具有高能量的离子注入金属表面后从而使晶格大量损伤
具有足够能量的注入离子与晶格原子碰撞并给后者大于其离位的能量时当碰传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能时形成空位处于空位附近的间隙原子一系列的碰撞过程从而改变了正常的晶格原子的排列可使金属表面从长程有序变为短程有序使性能发生改变 ２．２ 弥散强化
当注入的是非金属元素时如氮化物
产生弥散强化Ｂ＋等元素会与金属形成Ｆｅ４Ｎ ＣｒＮ Ｂｅ６Ｂ Ｂｅ２Ｂ等硼化物使基体强化
使表面离子注入层已用电子衍射在注入Ｎ＋的铁或几种合金钢中结构状态的ＮＴｉ＋ Ｂ＋ ＴａＣ
ＦｅＢ从而起强化作用
容易得到过饱和度很大的固溶体
另外造成位错运动的障碍
２．５ 相结构强化
离子注入的强化效果与相结构有关渗碳体能通过注入Ｎ
２．６ 喷丸强化
高速离子轰击基体表面
因此与表层原子形成各种合金相与过饱和固溶体从而使基体材料表层强化
参 考 文 献
１ 高技术新材料要览编委会编．高技术新材料要览．北京１９９３
２ 董允机械工业出版社
机械工业出版社
核技术在材料科学中的应用．北京１９８６
５ 赵文珍．金属材料表面新技术．西安１９９２
６ Ｓｉｎｇｅｒ ＩＬ．Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｅｄｓ．Ｈｕｂｌｅｒ Ｇｋ，Ｈｏｌｌａｎｄ ＯＷ，Ｃｌａｙｔｏｎ ＣＲ，ｗｈｉｔｅ ＣＷ）．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，１９８４，４
作者简介女助讲表面改性。