等离子体浸没离子注入介质材料鞘层演化规律

朱文艳

（重庆公共运输职业学院，重庆，402247）

等离子体浸没离子注入介质材料鞘层演化规律

朱文艳

（重庆公共运输职业学院，重庆，402247）

等离子体浸没离子注入（Plasma-immersion-ion-implantation,简称PIII）已被广泛应用于金属、半导体以及绝缘介质材料改性等领域。通过一维流体力学模型，利用C语言实现编程，对一维平面介质靶鞘层特性进行了数值模拟，得到了鞘层的演化规律，模拟的结果可以为优化实际的工艺参数提供参考。

等离子体浸没离子注入；冷流体力学模型；鞘层；数值模拟

1 等离子体浸没离子注入技术及其应用

等离子体是继固液气之后排在第四位的物质形态，所以也被称物质的第四态。其中基于等离子体的离子注入是有关等离子体的很有实际意义的应用。1988年Tendys等提出了PIII（Plasma Immersion Ion Implantation）表面改性技术。

在实际的PIII工艺过程中我们将被处理物体以浸泡式方法置于等离子体中，然后在靶上加一负脉冲形式电压，这样就会把靶周围电子急速“排挤”掉，留下的正离子在物体表面附近形成起关键作用的鞘层。之后离子就会受到鞘层内电场的静电作用力，全方位进入到待处理物体表层。如果形成的离子鞘层形状和靶的形状相似，入射离子就可以实现全方位垂直均匀注入物体表层。

PIII技术可以应用于金属领域。国内的一些重点实验室曾采用PIII工艺对9Cr18轴承钢表层进行了双注入及共注入Ti+N工艺处理[1]。将处理前后的样品进行比较可以发现，经过PIII处理的样品在显微硬度性能方面有了明显的改善。刘洪喜和汤宝寅[2]等就合金材料Ti6Al4V的表面性质改良也使用了不同等离子体源的PIII工艺。氮离子被实现注入基体材料之后，材料的显微硬度和抗摩擦磨损性能都得到明显改善增强。

PIII在半导体领域也有着广泛应用[3]。首先是Silicon-On-Insulator（SOI）材料的制备。现在SOI材料主要有注氧隔离的SIMOX（Separation By Implanted Oxygen)材料和智能剥离的（Smart-cut）SOI材料。以上的两种SOI材料的制备过程都涉及到离子注入这一工艺。

PIII技术对生物领域的一些特定的材料也可实施改性。Briem、甘抗[4]等都就PEEK表面的骨向分化能力利用PIII改性进行了研究。以NH4/Ar等离子体源进行改性之后，PEEK表面的成骨细胞的增殖得到促进；利用氮气等离子体源改性之后，使得PEEK的生物学活性有所提高，而且表面抗细菌黏附性能也得到了改善。

2 PIII介质材料鞘层演化的一维流体模型

2.1 鞘层理论

在一般的情况下，主等离子体区中在宏观表现上满足以下的电中性条件：当等离子体与固体接触时，在一个等离子体与固体表面接触的一段区间内电中性条件不再成立，这就是等离子体鞘层。

在PIII进行过程中，我们将进行离子注入处理的物体浸在等离子体中，然后开启幅值很大的负脉冲形式电压，在脉冲持续的阶段，物体的表面附近就会产生很强的电场，离子在电场力的作用下会朝着物体表面作加速运动。这时会有以下事实：电子和离子在质量这个物理量的对比中，是远远小于关系，相应等离子体中电子的响应时间远远小于离子的响应时间，当电子已经响应运动时离子还没来得及动，而且电势沿着工件表面到等离子体区方向降落。随后，在离子也开始响应的一段时间内，离子不断被加速且以一定的能量注入到介质表面，随着注入的继续持续，鞘层内的离子就会不断减少，为了保证鞘层内离子的数量，鞘层就会朝着等离子体区不断扩展，使得更多的离子进入鞘层来屏蔽介质靶表面的负电势，不断地注入到介质靶表面，最终实现PIII表层性质的改变。

综上可知，在PIII过程中，施加负的脉冲形式的电压之后形成的离子鞘层是实现离子注入的关键因素，而且鞘层的演化规律关系着离子注入的最终结果，所以对鞘层的大量研究很有价值。

2.2 碰撞鞘层冷流体力学模型

现在假设有一厚度为d的介质靶完全处于等离子体中，且等离子体是均匀的，离子、电子和等离子体的密度均为 n0。一金属电极置于介质基板下面，且在金属电极上加以负的脉冲形式的电压

这样密度为ni，流速为νi的离子就可以使用以下的冷流体方程组来描述：

采用的边界条件有： ni( s , t ) = ne(s , t)， vi( s , t) = uB，

利用边界条件和方程组就可以描述鞘层的演化规律。

3 模拟结果及讨论

首先在以下的讨论中，我们设置加在金属电极上的脉冲表达式如下：

在以下的模拟计算中，采用的工作气体是氮气，而且考虑的离子只有 N2+离子，待处理物体的介质层材料是三氧化二铝（ A l2O3），其相对介电常数 εr=8.8，电子温度为kTee= 1 eV等离子体密度 n0= 6 .8× 1 09cm-3，金属电极上所施加负的脉冲形式的电压幅值 Vp=-1 0kV，脉冲上升沿时间脉冲持续时间，脉冲下降沿时间。介质靶的厚度d=1.0mm。

经过模拟计算可以得到以下结论：随着鞘层不断变化，介质靶表面离子被不断注入，离子密度不断减小。在某一固定时刻，从鞘层边界到介质靶表面，离子密度不断减小。从负高压脉冲开启到关闭的这段时间，离子密度曲线以先快后慢的方式逐渐移向等离子体区。加上负脉冲偏压后，电子符合玻尔兹曼分布，被很快地排斥到约150Dλ之外的区域。在鞘层与等离子体区分界处，电子密度的增加方式几乎是垂直式的。在鞘层区域，电子密度基本是零，而离子密度比较均匀。随着离子不断注入以及鞘层不断变化，介质靶表面的电势幅值不断减小，而且在脉冲下降沿开始的时候，表面电势值降低很明显。鞘层内电场分布不均匀，在鞘层与等离子体的分界处下降得很快。在脉冲下降沿时间内，电场值很小。当脉冲开始下降的时候，不管是电势还是电场，变化的幅度很大，而且在下降的时间内二者的变化没有在脉冲开始时变化的幅度大。当负高压加在介质材料上面时，鞘层会不断地向外扩展，其厚度不断增加，而且增加的速率逐渐减小。当脉冲开始下降时，鞘层的厚度不断减小，到脉冲结束时减小到接近零的位置。离子流密度很快上升到最大值并且在很短时间内快速降低，随后缓慢减小到零。注入介质表面离子的能量在脉冲刚开始阶段，快速增大，后来在脉冲下降沿时间内，能量有所减小。

4 结语

本文通过建立一维流体力学模型，利用C语言实现模型的构建，数值模拟研究了介质靶材料的PIII过程。具体研究的是一维平板模型，待处理物体是绝缘介质材料，在实际的PIII过程中，通过建立一维冷流体模型研究了待处理物体表层附近鞘层的变化规律。模型中利用离子的冷流体方程、泊松方程以及介质材料表面的充电方程分别确定了离子的运动、鞘层内的电势电场分布和表面电势的演化规律。通过具体的数值模拟计算，我们可以发现：在单个负的脉冲高压的作用下，鞘层内各物理量的演化是非均匀的并且绝缘材质的待处理物体在具体的PIII过程中会产生表面充电效应.

[1]蒋钊,周晖,桑瑞鹏,等.空间用 9Cr18 钢 PIII 复合离子注入表面改性工艺研究[J].宇航材料工艺, 2013(3):100-104.

[2]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.

[3]朱鸣.新结构SOI材料与器件物理研究[D].中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所),2005.

[4]甘抗.聚醚醚酮植入材料表面改性的实验研究[D].吉林大学,2016.

Evolution of sheath in plasma immersion ion implantation

Zhu Wenyan
(Chongqing public transport Career Academy,Chongqing,402247)

Plasma immersion ion implantation (Plasma-immersion-ion-implantation, referred to as PIII) has been widely used in metal, semiconductor and insulating materials. Through the field of modified onedimensional hydrodynamic model, using C programming language, the one-dimensional planar dielectric sheath characteristics are investigated by numerical simulation, obtained the evolution law of the sheath,simulation the results can provide a reference for the optimization of process parameters in practice.

plasma immersion ion implantation; cold fluid mechanics model; sheath; numerical simulation

重庆市高等职业院校专业能力建设（骨干专业：城市轨道交通机电技术专业）项目成果之一。