等离子体对材料表面改性作用研究

王曼星

摘 要：

概述等离子体应用于材料表面改性的基本原理以及等离子体表面改性的几种方式，主要有离子注入、等离子体物理气相沉积、等离子增强化学气相沉积。

关键词：

等离子体;表面改性;离子注入

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）23019201

1 等离子体与材料表面的相互作用

1.1 表面吸附

等离子体中的中性粒子将不受鞘层电场的作用，直接向表面迁移。通常固体表面的能态总是高于其内部的能态，过剩的自由能将保留在固体表面。当中性粒子附着在固体表面时，将使表面的白由能降低。这种吸附过程总是伴随着热量的产生。实际上，当中性粒子接近表面时，它将受到表面原子的吸引力作用而做加速运动，并进入低势能的区域。对于温度为Ta气压为P的工作气体，撞击到固体表面上单位面积的中性粒子数可由Harz-Knudsen方程给出得：

Np=p（2πMkBTa）-12

其中M是中性粒子的质量。并不是所有撞击到固体表面上的中性粒子都可以被表面吸附，这与撞击粒子的种类、能量及表面的性能有关。被吸附的粒子数Na与撞击到表面的粒子数之比a=Na/Np被称为吸附率。

1.2 离子注入

当入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞，同时不断地损失其能量。当人射离子的能量损失到某一定的值Ec（约为20eV左右）时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。

1.3 原子的级联运动

当固体中的原子同入射离子碰撞时获得的能量大于某一阈值时，将做反冲运动。该反冲原子会与其他静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。如此依次下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。

1.4 溅射现象

当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，将克服表面的束缚而飞出材料表面层，这就是溅射现象。

1.5 二次电子发射

当固体表面受到载能粒子轰击时，产生电子从材料表面发射出来的现象被称为二次电子发射。

2 离子注入

离子注入对材料表面改性的原理是利用高能带电离子（气体和金属离子）轰击材料表面，通过载能离子的能量传递和介质掺杂与合金化，在材料表面产生一系列的物理和化学反应，从而表面的晶格结构和成分发生变化。

离子注入与其他表面强化技术相比，具有独特的优点：

（1）理论上可将任何元素注入基体材料的近表面层，而不受热力学的限制;

（2）注入元素和基体材料的选配不受限制，注入剂量不受材料溶解度的局限，且可以得到常规方法不能得到的表面层结构;

（3）注入层和基体材料之间无明显界面，不存在脱落分层问题，不妨碍基体传热;

（4）注入元素的剂量和注入深度可精确控制，易于实现自动化生产;

（5）可在低温、室温和高温等不同温度下进行离子注入;

（6）注入工件表面的元素均匀性好;

（7）注入工件表面的元素纯度较高;

（8）不会产生环境污染。

离子注入的深度：

载能的入射离子射人固体中，与固体原子相互碰撞而逐渐损失自身能量，并最终在固体某一位置停留下来，离子在入射靶材中所经过的路程称为射程R，同原子相互作用称为核阻止，其能量损失为核阻止能量损失，记为（dEdx）Λ。同电子碰撞称为电子阻止，能量损失称为电子能量损失（dEdx）e，总的能量损失为：

dEdx=（dEdx）n+（dEdx）e=N（Sn（E）+Se（E））e

对上式进行积分，得出射程R：

R（E）=1N∫E0dESn（E）+Se（E）

R表面上的进入点到停止位置之间的总距离。但对离子注入来说，具有实用意义的是入射离子在入射方向上的投影射程称为平均投影射程。在高能时，电子碰撞损失能量占优势，入射离子轻掠过靶子，偏转较小。但在路程的末端部分，由于弹性核碰撞产生大角散射，因此，注入的平均距离小于运行的总距离尺R。

在离子注入中，重要的参数是垂直于表面的平均穿透深度，在大多数注入中，入射束方向和表面法线方向间的夹角θ较小，θ<5°时，R和平均穿透深度几乎相同。对于倾斜入射的情形=R cosθ。

以上只讨论了离子注入的总射程R和平均射程，在离子注入中，离子的射程偏差ΔR（又称离子的标准偏差），也是重要的参量，它决定离子在靶中的浓度和分布形式。林德哈德等人从大量的向Si中注入离子的实验中，提出了射程理论（LSS理论）。通常，对于非晶体靶，入射离子在靶中的射程分布主要由离子的能量、质量、原子序数和靶的原子质量、原子序数、靶的原子密度以及进行注入时靶的温度、离子的剂量与剂量率等多种因素决定。吉邦斯根据LSS理论计算了各种离子在靶中的平均投影射程及其标准偏差Δ当离子束倾斜入射时，Δ2=ΔR2cos2θ+12R2⊥sin2θ，θ是入射束与表面法线间的夹角，R⊥是横向离散，即离子在垂直入射束方向的平面内的位移。

入射到固体表面下的离子将在固体中引起级联碰撞，当固体中的原子从入射离子获得的能量远高于原子间的结合能时，这种晶格原子将成为反冲原子，在固体中引起次级的级联碰撞。在此过程中，如果固体原子质量大而且反冲能量又高时，则可能会在固体中引起无序相，如果反冲级联发生在固体近表面几个原子层内，那么反冲原子可能将克服表面势垒而飞离表面形成溅射原子。因此，在离子注入过程中，注入与溅射共同存在的。

参考文献

[1]赵青，耿漫.等离子体浸没离子注入技术在现代材料表面改性中应用[J].真空，2000.

[2]赵青，刘述章，童洪辉.等离子技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2009，（9）：180204.

[3]汤宝寅，王浪平.等离子体浸泡式离子注入与沉积技术[M].北京：国防工业出版社，2012.