离子注入技术

离子注入技术

北京师范大学低能核物理研究所林文廉

“我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的MEVV A源这一新技术，提出了把它应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。因为MEVV A源的发明者布朗博士发明MEVV A源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新。”

MEVV A源离子注入材料表面改性是上世纪80年代后期在国际上发展起来的一项材料表面工程高技术，也是我们所承担的一项863高技术项目。它包括以下2个密切相关的部分：

（1）MEVV A源离子注入机的研制；

（2）MEVV A源离子注入材料表面改性及其实际应用。为了解读这项高技术，我们先从离子注入讲起。

什么是离子注入？

我们设想在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；而当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；另外有一种现象是，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。

离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，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，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。

进行离子注入的设备──离子注入机

离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）；（4）离子束的约束与控制；（5）靶室；（6）真空系统。

非半导体材料的离子注入表面改性

非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量（即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米）比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所

需的剂量很高（比半导体材料离子注入高1000倍以上），而纯度不要求像半导体那么高。

在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。

金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用中效果更加显著，应用范围更加广泛，许多氮离子注入无法实现的，金属离子注入可以很好地实现。但是，基于半导体离子注入需要的传统离子注入机，要想获得比较强束流的金属离子束是比较困难的，进行非半导体材料离子注入表面改性所需的费用也是比较昂贵的。

MEVVA源离子注入———强流金属离子注入的一场革命

MEVV A源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。MEVV A源离子注入机的突出优点有以下几点：（1）对元素周期表上的固体金属元素（含碳）都能产生10毫安量级的强束流；（2）离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；（3）金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加（离子）注入；（4）束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面，一是它的高性能，另一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成。

MEVVA源金属离子注入表面改性技术研究与应用

北京师范大学低能核物理研究所在国家863计划资助下，已经成为国内唯一、国际上为数不多的能够研制和生产新一代强流金属离子注入机之一，获得了2项技术新型专利。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究院合作，在国际上首先开展MEVV A源离子注入材料表面改性研究及其应用，十多年来取得了许多重要的突破和进展，并获得了3项发明专利。总之，在设备研制和表面处理技术两方面均已具备了将此项高技术推向市场，实现产业化的基础。

在国家863计划的大力支持下，经过十多年的研究和开发，MEVV A源金属离子注入表面技术在硬件（设备）和软件（工艺）两方面均已取得了重要的突破和进展，并已具备了实现产业化的基础。在设备方面，完成了MEVV AIIA－H、MEVV AII－B和MEVV A50型3种不同型号MEVV A源的研制，主要性能达到国际先进水平。仅“九五”期间，就已先后为台湾地区、香港地区和国内大学研究所和工厂生产了15台MEVV A 源离子注入机或MEVV A源镀膜设备。

MEVV A源离子注入机的应用，使强流金属离子注入变得更简便、更经济，效率大大提高，十分有利于这项高新技术的产业化。在表面优化工艺方面，钢制切削工具、模具和精密运动耦合部件3大类、7个品种的MEVV A源离子注入表面处理，取得了延寿3－30倍的显著优化效果，并已通过国家部委级技术鉴定，成果属国际先进水平。本项目立项之初，国内外有不少人对离子注入材料表面改性的应用前景比较悲观，其中一个重要的原因是英国和美国等工业发达国家的一些著名实验室对于麻花钻等金属切削工