束線-浸沒復(fù)合加速離子注入及鞘層調(diào)制數(shù)值仿真研究.pdf

1、離子注入改性層具有不影響工件外形尺寸、不存在膜基結(jié)合問題等突出優(yōu)點(diǎn),使得離子注入表面改性技術(shù)成為一種重要的材料改性手段。等離子體浸沒離子注入技術(shù)克服了傳統(tǒng)束線離子注入視線性的限制,可以批量處理復(fù)雜形狀的工件。然而,等離子體浸沒離子注入工藝對(duì)鞘層的依賴性很強(qiáng),而鞘層的形狀又受諸多因素的影響,很難保證均勻注入所需的保形性條件。尤其是采用PIII工藝處理帶有凹陷表面如凹槽或沉孔型工件時(shí),動(dòng)態(tài)鞘層不斷擴(kuò)展并發(fā)生交叉重疊,導(dǎo)致鞘層的保形性很差,凹

2、槽或沉孔內(nèi)壁特別是側(cè)壁注入劑量很低。因此,迫切需要尋求一種可以控制等離子鞘層方法來提高鞘層的保形性,進(jìn)而提高型腔內(nèi)壁的注入劑量。本文在分析了現(xiàn)有離子注入技術(shù)不足的前提下,提出了一種束線/浸沒復(fù)合加速離子注入新方法,試圖用束線離子來定向調(diào)制等離子體鞘層,從而改善鞘層的保形性,提高型腔內(nèi)壁離子注入劑量。
　　首先,建立了束線/浸沒復(fù)合加速離子注入系統(tǒng),設(shè)計(jì)了基于 PLC控制的陡脈沖前后沿離子注入高壓電源,采用IGBT串聯(lián)型半導(dǎo)體高壓開

3、關(guān)控制高壓脈沖后沿,削弱了脈沖拖尾對(duì)離子注入過程的不利影響。將束線離子源脈沖化,成功引出脈沖束流離子,并通過匹配電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖束線離子源與靶臺(tái)負(fù)高壓脈沖協(xié)同工作的過程。束線/浸沒復(fù)合離子注入過程中,束線離子可以誘導(dǎo)高壓自激輝光放電產(chǎn)生,并且束流離子能量越高、氣壓越高,高壓自輝光放電越強(qiáng)。
　　采用PIC/MCC模型,通過對(duì)平面靶臺(tái)束線/浸沒復(fù)合加速離子注入鞘層動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),靶臺(tái)對(duì)束流離子有二次加速作用,可以提高離子

4、的注入能量,并且靶臺(tái)電壓越高,離子注入能量增加越明顯。注入過程中,為了減小碰撞效應(yīng),工作氣壓一般低于0.1 Pa,工作氣壓越高,離子與中性氣體碰撞效應(yīng)越明顯,離子的能量損失越大。增大靶臺(tái)半徑,對(duì)離子束具有散焦作用,可以擴(kuò)大靶臺(tái)上有效注區(qū)域面積,但劑量均勻性下降;為了保證注入均勻性,靶臺(tái)半徑應(yīng)小于束流半徑。通過對(duì)氮離子注入不銹鋼樣品的注入層深度分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了束線/浸沒復(fù)合加速離子注入的能量增強(qiáng)效應(yīng)。
　　凹槽型工件束線/浸沒復(fù)合

5、加速離子注入數(shù)值模擬結(jié)果表明:束流離子對(duì)等離子鞘層的擴(kuò)展具有抑制作用,可以用來定向調(diào)制局部等離子體鞘層,改善鞘層的保形性,從而提高凹槽側(cè)壁離子的注入劑量。束流離子能量增大,可以增強(qiáng)束流對(duì)等離子體鞘層的抑制能力,進(jìn)一步提高凹槽側(cè)壁的注入劑量,適合處理更深的凹槽型工件。工作氣壓降低,離子的碰撞效應(yīng)減弱,對(duì)鞘層的抑制作用增強(qiáng),注入到凹槽側(cè)壁離子的劑量和能量都增加,但注入角度增大。靶臺(tái)偏壓增大時(shí),凹槽工件各面的注入劑量和能量都有所增加,但由于離

6、子能量增大,與中性氣體的碰撞幾率變大,側(cè)壁離子的注入角度分布范圍也會(huì)增大。靶臺(tái)高度增大會(huì)縮短束流離子飛行的距離,可以減少由碰撞效應(yīng)造成的能量損失,增強(qiáng)束流離子抑制鞘層擴(kuò)展的能力,有助于提高凹槽型工件側(cè)壁的注入劑量。凹槽深度變深,即便被束流離子調(diào)制后的鞘層對(duì)飛入凹槽內(nèi)的離子有偏轉(zhuǎn)作用,也很難讓其注入到凹槽底部側(cè)壁上。氮離子注入處理后的凹槽型試樣XPS分析結(jié)果表明,束線/浸沒復(fù)合加速離子注入有效地提高了側(cè)壁的注入劑量,但由于離子的注入角度較

7、大,存在一定的濺射效應(yīng)。
　　采用束線/浸沒復(fù)合加速離子注入沉積工藝在平面不銹鋼樣品上制備了含氮的DLC薄膜,分析束線氮離子的轟擊作用對(duì)DLC膜層結(jié)構(gòu)和性能的影響。Raman和XPS分析結(jié)果表明,氮離子的引入沒有改變 DLC薄膜整體非晶結(jié)構(gòu),DLC薄膜中的N沒有生成超硬C3N4相,主要以C=N鍵和C≡N鍵形式存在。并且隨著氮元素含量的增大,DLC薄膜中的SP3鍵含量降低,膜層的硬度下降。但 DLC薄膜中摻雜少量的N,膜層硬度下降不