什么是离子表面处理?

[拼音]：lizi biaomian chuli

[外文]：ion treatment of solid surface

用一定能量的离子轰击固体表面，使固体近表面层物理、化学性质发生变化的工艺技术，包括离子注入、离子束混合、离子溅射、离子刻蚀等技术。离子注入是将某种离子“打进”固体，改变固体近表面层的化学成分和固体结构。离子注入技术用于半导体掺杂和金属和其他材料的表面改性。离子束混合是用离子轰击镀有多层薄膜的金属，使各层原子因离子碰撞发生互混，主要用于冶金学研究。离子溅射除用于镀膜外(见真空镀膜)还用于表面处理，实现溅射清洗、抛光、磨削和减薄等。离子刻蚀属于电子束与离子束微细加工技术。

这种技术的研究始于50年代。用具有一定能量（几万到几十万电子伏）的离子轰击固体(靶)表面，离子进入固体后，不断与靶原子核及电子碰撞，并将其能量传递给原子核和电子，直至耗尽能量后停止在靶内某一深度。这一深度约为几百至几千埃。如不考虑沟道效应，注入非晶靶中的离子在基体中的分布服从高斯分布（图1），其数学表达式为

式中n为注入离子浓度;x为注入深度；N为注入剂量，即单位面积上注入的离子个数；Rp为离子在固体中射程沿入射方向的投影，称投影射程；墹Rp为Rp的标准偏差。对于确定的离子能量、质量和靶材料，Rp和墹Rp有确定的值，可根据理论算出来。例如能量为 100千电子伏的硼离子注入到硅中，它的Rp为2900埃，墹Rp为710埃。

注入离子与靶原子发生碰撞，破坏靶原子的正常排列而产生“辐射损伤”。这类损伤可以通过适当的热处理而消除；另一方面，可利用辐射损伤现象对表面进行特殊的工艺加工。

离子注入设备的主要结构如图2。在离子源中，原子被电离成离子。离子在电压U加速下获得能量E=qU，q为离子电量。常用的加速电压范围为10～800千伏。加速后的离子束通过磁分析器，磁分析器从离子束中选出一定能量和质量的离子，这些离子用来轰击靶面。为了避免离子与气体分子碰撞而损耗能量，系统内应保持高真空。测量靶电流可得出注入剂量。注入剂量在1010～1020个/厘米2范围内。

离子注入技术在集成电路和微电子技术方面已得到广泛应用。在金属中的应用主要包括三个方面。

（1）用离子注入模拟辐照试验：研究金属在辐照作用下空洞和气泡的产生。这种模拟试验可以在很短时间内给出快中子堆中的金属或聚变堆中的第一器壁材料受长期辐照后的性能资料。

（2）金属表面改性研究：离子注入对金属表面的抗腐蚀性能、耐磨损性能、润滑性能、超导性能和催化性能有显著影响，特别是在提高耐磨性和抗腐蚀性方面的研究更受到人们的重视。

（3）冶金学研究：即离子注入冶金学。由于不受热力学平衡的限制，原则上一切元素都可以注入任何金属，因此可用这种方法研究离子注入对金属的成分、结构和性能的影响，借以研制新的合金。离子注入也应用于绝缘材料，如离子注入石英玻璃可改变其折射率，用来制造光集成电路的波导、耦合器，还可制造气敏和磁泡材料等。

在基片上交替镀敷两种金属薄层，例如每层厚150埃，膜层总厚1000埃，然后用惰性离子（氩、氪等）轰击，使两种金属混合形成亚稳态组织，这种技术称为离子束混合。这种技术出现于1973年，它是离子注入技术与镀膜技术的结合，扩展了离子注入冶金学的研究范围，可用于研究注入原子在晶格中的位置，注入后的各种亚稳态固溶体，非晶态结构和化合物的产生、沉淀析出、扩散，以及表面改性机制等。

参考书目

北京市辐射中心、北京师范大学合著：《离子注入原理与技术》，北京出版社，北京，1982。