【等离子体源离子注人】
拼译：plasma source ion implanlation
简称PSⅡ，是材料表面改性的一种新技术。低温等离子体以及常规离子注入，都可以用于材料表面改性。低温等离子体能使材料表面改性，诸如改善材料表面的粘合性、润湿性等，但这些性能的改善不耐久，即改善的性能要随着放置时间的增加而衰减。用常规离子注入方法改善的性能是持久的，但它是一种所谓的“直视”加工，所以在加工过程中要求用离子束线对样品扫描。为了使注入均匀，往往还要求被注入样品在注入过程中要不断转动。从而它除了要求加速器加速离子外，还需要转动装置转动离子束扫描系统及样品。这样不但操作复杂，并且成本也高，特别是对于形状比较复杂的样品，用常规离子注入，几乎无法使其注入均匀。
等离子体源离子注入是1986年由康拉德(Conrad)等首先提出的，其后又陆续报导了他们的一些研究成果，现在国内也有几个单位正在进行研究。它是将被注入样品置于等离子体之中，在安放样品的靶极上加上负高压脉冲，这样等离子体中的正离子在负高压的作用下，从四面八方向样品射来，达到离子注入的目的。由于正离子是从四面八方射来的，所以就不需要离子束的扫描，也不用转动样品，更不用加速器来对离子加速。所以它与常规离子注入相比，有操作简单、成本低、注入均匀等优点。对形状复杂的样品，更显示其优越性。由于等离子体源离子注入与常规离子注入一样，离子是注入到样品表面层内一定深度的，故它不会像等离子体改性那样有衰退效应，它的改性效果是持久的。等离子体源离子注入装置分注入与检测2个部分，注入部分由高真空工作室、靶极、负高压脉冲发生器(0－100kV连续可调)、抽真空系统、等离子体发生器电源等组成，体测部分由真空检测仪、郎谬尔探针(测量等离子体电子温度与离子密度)、靶温测量系统等组成。如果要注入固体材料的离子(例如钛离子)，真空工作室内还需要一个升华(或蒸发)器。为了约束等离子体，在器壁外还需要加一个能产生一定磁场位形的磁铁装置。工作气压一般为10－2Pa，负高压脉冲宽度及频率可根据需要来选择，但要求在脉冲幅度不为零的这一间隔内，靶极周围形成的正离子鞘不致扩散到器壁，或与相邻靶极的正离子鞘层相重叠。等离子体源离子注入的工作原理，大致可用3个步骤来描述：(1)当t=0时，靶极的电位为零。加上负高压脉冲后，靶极电位为－Vo，此时等离子体中的电子受靶极排斥而远离靶极，而正离子被靶极上的负电位所吸引。由于电子质量m。远小于离子质量mi，故在靶周围形成正离子鞘层。这一过程在
时间内完成。ωpe为等离子体电子振荡频率。(2)形成正离子鞘后，约在
时间内，鞘内的正离子受靶极负高压作用而加速，并从四面八方向靶极表面层内注入。ωpi为等离子体离子振荡频率。(3)正离子鞘一旦形成后，它要以等离子体离子声速的速度向周围扩散，鞘的边界也逐渐向周围膨胀。所以脉宽Tp要选择确当，避免在负脉冲消失之前，正离子鞘层与器壁相接触或与相邻靶的正离子鞘层相重叠，不然会影响注入的均匀性，甚至使真空工作室内放电熄灭。康拉德等人的试验发现，用PSⅡ注入后的M－2冲头的寿命有惊人的增加。他们用经PSⅡ注入，直径为1．27cm的冲头，来冲轧厚度为0．635～1．588cm的低碳钢板，发现它的寿命可增加70～80倍。未经注入的冲头，冲500个孔后，周围就产生毛口，而经PSⅡ注入过的冲头，冲38000个孔后，冲头仍很锋利，一些冲头在冲43000个孔后，在边缘才出现微小的磨损。他们用PSⅡ注入的工作条件是，工作气体为氮，负脉冲幅度为30～60kV，注入剂量为2×1017～8×1017cm-2。PSⅡ注入也可增加显微硬度，例如5160钢块经PSⅡ用40keV能量，剂量为3×1017cm－2的氮离子注入后，其knoop硬度与未注入时相比增加25%，与经热处理的相似。但热处理后，再经PSⅡ注入，其knoop硬度与只经热处理的相比，要增加一倍。为了验证PSⅡ注入的均匀性，康拉德等人用4个Ti－6A1－4V合金钢球组成2×2方列，用3×109cm－3密度的氮等离子体，50kev能量的离子注入，表1是注入时的PSⅡ参量，他们用卢瑟福(Rutherford)背散射谱(RBS)测量靶上9个不同位置的注入剂量与注入的平均射程(其数据见表2)。用平均值及标准误差表示的注入剂量及注入平均射程分别为(2．7±0．4)×1017atomscm－2及860±130A。在表2中，P1的值偏大，从而P9的值偏小，这是因为P1是在靶的顶部中央，它距真空室顶部有22cm，已远大于在脉宽期间正离子鞘的扩散半径，受器壁与邻近靶的影响最小，而P9在靶的侧面，它离器壁较近，正离子鞘有可能与器壁接触。但P1与P9处的值与平均值相比，也小于22%。表1 PSⅡ参量
表2 注入剂量与平均射程
(中国纺织大学吴知非教授撰)