全方位离子注入与沉积技术及其工业机的研制

全方位离子注入与沉积（Plasma immersion ion implantation and deposition,PIIID）技术发展到现在,已经逐步走向工业化应用。本文介绍了全方位离子注入与沉积技术的原理,探讨了全方位离子注入与沉积工业机应该具备的功能,介绍了研制成功的全方位离子注入与沉积设备的结构和实施效果,其脉冲阴极弧等离子体源沉积速率达到2.9（?）/s,IGBT固体开关调制器输出电压达到10 kV,能够一次处理多个工业零件。     

全方位离子注入及增强沉积工业机和应用

报道了等离子体源离子注入 （PSII）或等离子体浸没离子注入 （PIII）及增强沉积工业机的实验结果及应用。该机真空室直径 90 0mm ,高 10 5 0mm ,立式放置 ,抽气系统由分子泵及机械泵构成并且实现了PLC控制 ,本底真空小于 4× 10 - 4Pa。等离子体由热阴极放电或三个高效磁过滤式金属等离子体源产生 ,因此可实现全方位离子注入或增强沉积成膜。该机的负高压脉冲最高幅值为 80kV ,最大脉冲电流为 6 0A ,重复频率为 5 0— 5 0 0Hz ,脉冲上升沿小于 2 μs,并且可根据需要产生脉冲串。其等离子体密度约为 10 8— 10 10 ·cm- 3,膜沉积速率为 0 .1— 0 .5nm/s。     

离子注入过程中表面的碳沉积

通过对离子注入过程中表面碳膜结构及其对离子注入层各种性能（颜色、显微硬度和耐蚀性）影响的研究,得知了形成离子注入层表面碳膜及其影响离子注入层性能的机理。     

GCr15表面钽沉积及碳离子注入的摩擦性能的研究

GCr15钢广泛用于各类轴承制造.为提高其摩擦性能,用磁控溅射法在GCr15轴承钢试样表面沉积厚约100 nm的钽膜,再进行不同注量的50 keV碳离子注入.用Ф6的GCr15钢球做对磨试验,测试它们的摩擦性能,用SEM观察磨痕形貌.结果表明,处理后GCr15钢改性层的Ta2C含量随注量增加,摩擦性能得以提高.载荷1 N、滑动速度50 mm/s条件下,注入3×1017ions/cm2的试样耐磨性是原始试样的1.65倍;表面沉积钽膜后,摩擦系数由未处理前的0.8～1下降至0.5左右,钽膜注碳后摩擦系数更降至0.2～0.3,注入层主要以磨粒磨损为主.     

O、C离子注入n型GaN的黄光发射研究

采用光致发光(Photoluminescencc,PL)谱的测量,研究了1012～1017cm-2的O和C两种离子注入和退火对非有意掺杂的n型GaN黄光发射(Yellow luminescence,YL)的影响,注入后的样品在流动N2的保护下进行退火,退火温度950℃,退火时间30 min.对比相同剂量下N离子注入GaN黄光发射,结果表明O、C两种离子的注入在GaN中分别引入了与黄光发射相关的不同的深能级中心,当C离子注入剂量高达1017cm-2时,能引起黄光发射的C相关的深能级中心显著增多.     

PIXE、SEM与切片技术相结合研究低能离子注入种子的浓度-深度分布

用质子激发X荧光分析和扫描电子显微镜与切片技术相结合对能量为 2 0 0keV的钒离子注入花生后的浓度 -深度分布进行了测定 ,注入剂量为 9× 10 16/cm2 。结果显示 ,钒离子注入花生后的浓度 -深度分布与离子注入金属、半导体中的分布有明显的差异 :离子的射程歧离很大 ,少数离子的射程延伸到很深的区域。这种分布特征可能与植物种子具有疏松的结构有关。     

P-阱、沟道区离子注入分布特性的测试分析与计算机模拟

CMOS集成电路在LSI、VLSI中占有显著地位,它是当今乃至今后一段时期集成电路发展的主流。研究CMOSIC沟道、P~-阱注入杂质的分布和再分布规律,对于指导工艺实践和提高电路性能具有现实意义。     

N、O、Ga、Mg和Si离子注入n型GaN样品的光致发光谱中蓝光发射带的研究

采用光致发光手段研究了几种不同注入离子N、O、Mg、Si和Ga对n型GaN蓝光发射带的影响。其中离子的注入剂量分别为1013、1014、1015和1016cm-2,注入温度为室温。注入后的样品在900℃流动氮气环境下进行10min的热退火。通过对实验测得的光致发光谱的分析,给出了不同注入离子对n型GaN蓝光发射带的影响随注入剂量的变化关系以及该影响的相对强弱,进而确定蓝光发射起源于注入离子引入的间位缺陷。     

化学沉积103Pd工艺的研究

以0.5 mm×3.0 mm碳棒为载体,氯化钯为前体,¹⁰³Pd为放射性示踪剂,水合肼为还原剂,研究了化学沉积¹⁰³Pd工艺。结果表明,化学沉积¹⁰³Pd的优化条件为：2 g/L PdCl₂、65 g/L Na₂EDTA、700 mL/L 25%NH₃•H₂O、100 mL/L 5%H₄N₂•H₂O,pH=10,时间90 min,温度50 ℃。化学沉积¹⁰³Pd溶液稳定性好,反应易进行;有95%的¹⁰³Pd沉积到载体棒上,碳棒对¹⁰³Pd的吸收仅约为12%,¹⁰³Pd利用率高;沉积层呈灰白色,表面平整;化学沉积¹⁰³Pd批内均匀性好,重复性好。化学沉积¹⁰³Pd技术可用于制备¹⁰³Pd粒子和新型¹⁰³Pd-¹²⁵I复合粒子。     

多束动态混合注入技术制备TiN厚膜的工艺、结构及性能研究

在多束动态混合（MBMI）-注入系统上利用MBMI技术制备TiN膜,XRD分析表明,N+入射角度α（°）、氮钛原子到达比RN/Ti、 N2分压PN2对膜生长的择优取向及相结构有影响;性能研究结果表明。高的入射离子能量Ei、基体温度Ts以及合适的RN/Ti对TiN膜的显微硬度HK和膜-基结合力都有正面影响。     

PIIID技术制备Ti/DLC纳米多层薄膜

采用等离子体浸没离子注入与沉积（PIII&D）技术在2Cr13钢表面制备了Ti/DLC纳米多层薄膜,分析了膜层的微观结构和机械特性。实验结果表明:纳米多层膜具有完整、清晰的调制层结构,薄膜的显微硬度均得到明显的提高,硬度较低的膜层具有较好的膜基结合强度和优良的摩擦性能,从综合性能看:纳米多层薄膜保持了类金刚石（DLC）薄膜低摩擦系数的特性,具有良好的承载能力以及膜-基结合特性。     

用于材料表面强化处理的第三代多功能PⅢ装置

第三代多功能等离子体浸没离子注入 （PIII）装置的强流脉冲阴极弧金属等离子体源既具有强的镀膜功能 ,同时也具有强的金属离子注入功能 ;它的脉冲高压电源能输出大的电流 ;并可获得高的注入剂量均匀性。该装置既能执行离子注入 ,又能把离子注入与溅射沉积 ,镀膜结合在一起 ,形成多种综合性表面改性工艺。本文描述了它的主要设计原则、主要部件的特性以及近期的研究工作成果。     

Influence of the residual oxygen in the plasma immersion ion implantation (PI3) processing of materials

In this work, we investigated the effects of the contaminants present in the vacuum chamber of the PI3 system, in particular, the residual oxygen, which results in the formation of the oxide compounds on the surface and hence is responsible for the high implantation energies required to achieve reasonably thick treated layers. We used a mass spectrometer (RGA) with a quadruple filter to verify the composition of the residual vacuum and pressure of the elements present in the chamber. Initially we found a high proportion of residual oxygen in a vacuum with a pressure of 1 × 10⁻³ Pa. Minimizing the residual oxygen percentage in about 80%, by efficient cleaning of the chamber walls and by improving the gas feeding process, we mitigated the formation of oxides during the PI3 process. Therefore we achieved a highly efficient PI3 processing obtaining implanted layers reaching about 50 nm, even in cases such as an aluminum alloy, where is very difficult to nitrogen implant at low energies. We performed nitrogen PI3 treatment of SS304 and Al7075 using pulses of only 3 kV and 15 × 10⁻⁶ s at 1 kHz with an operating pressure of 1 Pa.     

Etching and structure changes in PMMA coating under argon plasma immersion ion implantation

A thin (120 nm) polymethylmethacrylate coating was treated by plasma immersion ion implantation with Ar using pulsed bias at 20 kV. Ellipsometry and FTIR spectroscopy and gel-fraction formation were used to detect the structure transformations as a function of ion fluence. The kinetics of etching, variations in refractive index and extinction coefficient in 400-1000 nm of wavelength, concentration changes in carbonyl, ether, methyl and methylene groups all as a function of ion fluence were analyzed. A critical ion fluence of 10¹⁵ ions/cm² was observed to be a border between competing depolymerization and carbonization processes. Chemical reactions responsible for reorganization of the PMMA chemical structure under ion beam treatment are proposed.     

等离子体浸没离子注入圆筒内表面的时空尺度

等离子体浸没离子注入与工件外表面的注入不同 ,存在空间和时间上的尺度。研究结果表明 ,由于内腔 ,如内筒的有限尺寸 ,使注入电压的利用率降低 ,同时使内部等离子体快速耗尽 ,对于特定的内筒 ,利用提高注入电压从而提高注入能量只能在一定的电压范围内实现。在典型的外表面注入工艺条件下 ,内表面离子的耗尽速度是惊人的。如在对于直径 2 0cm的圆筒在 30kV、2× 10 15ions/cm3的条件下 ,等离子体耗尽时间仅为 0 .5 5 μs ,这个时间甚至小于多数脉冲电源的上升沿时间。结果表明 ,内部等离子体源的硬件结构可能是一种有效的解决方法。     

离子束和显微粗化在生物材料中的应用

氮离子注入可以改善人工关节材料Ti-6Al-4V的耐磨性。自1985年以来,一些钛制人工全髋关节、空心的和Bateman股骨头经注入后用于临床置换。本文报道离子束轰击造成显微粗化在生物材料中的某些应用。     

High temperature oxidation resistance of fluorine-treated TiAl alloys: Chemical vs. ion beam fluorination techniques

The modification of the alloy surface by halogens significantly improves their oxidation behaviour at high temperature. It corresponds to the preferential reaction of the aluminium with the applied fluorine at the oxide/alloy interface and it promotes the growth of an adherent and stable alumina layer.Well-defined fluorine profiles beneath the surface of the material can be achieved by either fluorine beam line ion implantation (BLI²) or plasma immersion ion implantation (PI³). As an alternative to the implantation-based approach, chemical fluorination techniques such as gas-phase treatment and dipping in F-based solutions were also investigated. The fluorine depth-profiles were measured before and after oxidation at 900 °C using non destructive ion beam analyses: Proton Induced Gamma-ray Emission (PIGE), Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) as well as Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). It enables to control and to optimise the fluorination conditions of technical TiAl alloys for an industrial application.     

Temperature elevated N ion implantation of Ti6A14V alloys using the plasma source

1 INTRODUCTIONTi6Al4V alloys widely aPplied in aircraft comPorLents, cheAncal processing facilities,to medical jInplants, and so on because of its remaxkable mechaIilcal and chendcal prop-erties such as high strength-to-weight ratio and corrosj.on resistance[1]. However, the wearbehavior of titboum alloys in a tribological environInent is less satisfactoryl2l3]. Thereare reports on the effects of nitrogen ion imPlantation on hazdness, weax resistance, com-position and structure of Ti6…