等離子體浸泡式離子注入與沉積技術

內(nèi)容概要

　　本書主要論述用于非半導體材料表面改性的PlIl、PIIID技術相關物理與技術問題，關鍵部件及處理工藝問題。本書的主要內(nèi)容包括PIIID技術發(fā)展概況，基礎理論，PIIID設備關鍵部件設計，PIIID鞘層動力學計算機數(shù)值模擬與應用以及機械零件的PIIID復合、批量處理工藝與應用等。為了清楚PlIl與PIIID概念之間的區(qū)別，書中提到的PlIl一般是指采用氣體等離子體的PlIl技術，在PlIl過程中，離子注入是材料表面改性的主要因素；書中提到的PIIID一般是指采用金屬等離子體與氣體等離子體相結合的PIIID技術，在PIIID過程中，離子注入與薄膜沉積相結合的處理是材料表面改性的主要因素。本書稱PIIID為等離子體浸泡式離子注入與沉積技術是因為考慮到PIIID處理過程的特點是：被處理零件完全浸泡在等離子體中，處理過程常采用離子注入與薄膜沉積相結合的工藝。
本書特別列出了近十幾年來等離子體浸泡式離子注入與沉積(PIIID)技術在下列七個方面取得的重大進展：(1)脈沖寬度可調(diào)、大面積、強流陰極弧金屬等離子體源；(2)高電壓下慢速自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的油冷靶臺與組合夾具；(3)Pill過程鞘層動力學計算機理論數(shù)值模擬技術；(4)減少、抑制二次電子發(fā)射；(5)大功率固態(tài)電路脈沖調(diào)制器技術；(6)PIIID內(nèi)表面處理技術；(7)PIIID復合、批量處理技術。由此可見，在短短十幾年時間里，PIIID技術在基本理論、關鍵部件的研制、處理工藝、應用領域擴展等方面都有了非常迅速的發(fā)展；PIIID技術正在以中、小規(guī)模，復合、批量處理方式成功地用于航空航天、高速列車、汽車等多種領域。這表明：PIIID技術是一種不可缺少、不可替代的先進的表面工程技術，它具有非常美好的商業(yè)應用前景。

書籍目錄

第1章　緒論
 1．1離子注入技術
 1．1．1 離子注入技術的發(fā)展
 1．1．2束線離子注入(IBII)的局限性
 1．2等離子體浸泡式離子注入技術
 1．2．1 等離子體浸泡式離子注入技術原理
 1．2．2 等離子體浸泡式離子注入技術與離子滲氮技術的區(qū)別
 1．2．3等離子體浸泡式離子注入技術與沉積(PIIID)技術
 1．3 束線離子注入與等離子體浸泡式離子注入技術的比較
 1．3．1 PIIl與IBIl技術的比較
 1．3．2兩種離子注入技術要素的比較
 1．3．3 IBIl和PIIl各自的優(yōu)勢及應用領域
 1．4等離子體浸泡式離子注入與沉積技術研究現(xiàn)狀
 1．4．1 PIIl過程鞘層動力學計算機理論數(shù)值模擬技術
 1．4．2脈沖寬度可調(diào)、大面積、強流陰極弧金屬等離子體源
 1．4．3 高電壓下慢速旋轉(zhuǎn)油冷靶臺與組合夾具
 1．4．4減少、抑制靶的二次電子發(fā)射
 1．4．5 大功率固態(tài)電路脈沖調(diào)制器技術
 1．4．6 PIIID內(nèi)表面處理技術
 1．4．7 PIIID批量、復合處理技術
 參考文獻
第2章　Pill理論基礎與等離子體診斷測量
 2．1真空與氣體分子運動淪基本概念
 2．1．1 真空
 2．1．2氣體分子運動論基本概念
 2．2等離子體
 2．2．1 氣體放電與等離子體
 2．2．2等離子體基本方程
 2．2．3平衡態(tài)性質(zhì)
 2．2．4等離子體動力學
 2．3鞘層
 2．3．1基本概念與理論方程
 2．3．2 Bohm鞘層判據(jù)
 2．3．3 離子陣鞘層
 2．3．4正離子陣鞘層的形成
 2．3．5動態(tài)鞘層的擴展
 2．4高能離子與材料的相互作用
 2．4．1 離子射程
 2．4．2濃度分布
 2．4．3 溝道效應
 2．4．4輻射損傷
 2．4．5輻射增強擴散
 2．4．6濺射
 2．4．7 離子注入表面強化作用機制
 2．5等離子體及鞘層的診斷與參數(shù)測量
 2．5．1 等離子體診斷與參數(shù)測量
 2．5．2鞘層擴展診斷
 參考文獻
第3章　等離子體浸泡式離子注入與沉積設備
第4章　Pill過程的計算機數(shù)值模擬
第5章　PIIID表面處理工藝及應用
結束語等離子體浸泡式離子注入與沉積(PIIID)技術前景展望
附錄1　主要英文縮寫
附錄2　主要物理常數(shù)
附錄3　公式
附錄4　單位換算表

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   材料表面改性是指不改變材料整體特性，僅改變材料表面及近表面層物理與化學特性的表面處理手段。材料表面改性的主要目的是以最經(jīng)濟、最有效的方法改變材料表面及近表面層的形態(tài)、化學成分和組織結構，使材料表面獲得新的復合性能，以新型的功能滿足新的工程應用要求。材料表面改性技術的種類很多，如表面涂層技術、化學氣相沉積、物理氣相沉積、表面形變與相變強化、高能束處理（包括離子束、激光束與電子束）等等。雖然不同的材料表面改性技術其主要應用對象不完全相同，但是它們或能提高材料表面抗磨損、腐蝕、及疲勞能力；或能改善材料表面潤滑能力、降低表面摩擦系數(shù)；或能改變材料表面電、磁及光學性能等等。不同的材料表面改性技術在它們各自應用范圍內(nèi)均顯示出了很大的優(yōu)勢，在多種領域內(nèi)得到了廣泛應用和發(fā)展。目前，材料表面改性技術已形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)，可以說，它已成為支撐當今技術革新與技術革命，促進高新技術發(fā)展的一個重要因素[1，2]。 航天航空器精密機械零部件（尤其是它們的眾多摩擦副）大多在重載荷、強摩擦磨損、高溫差和強輻射等惡劣環(huán)境下工作，有效地延長它們的使用壽命一直被學者們看作一個非常重要的研究課題。提高這些機械零件表面抗磨損與抗腐蝕能力的最簡單方法是在零件表面涂敷一層保護膜，由此概念出發(fā)，出現(xiàn)了一系列的基于物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）與化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）的鍍膜技術。這些傳統(tǒng)的鍍膜技術顯著地提高了零件表面的硬度、抗磨損能力，特別是抗腐蝕能力。但是，由于膜層與基體之間結合力較差，在較強的磨損應用環(huán)境下膜層易剝落，膜層剝落后將導致零件表面加速磨損。 1．1  離子注入技術 為了解決膜層剝落的問題，離子注入技術被用于表面強化處理。離子注入技術可分為兩大類：一類是束線離子注入，即傳統(tǒng)的離子束離子注入（Ion BeamIon Implantation，ⅠBⅡ），它已有五十多年的發(fā)展歷史；另一類是等離子體浸泡式離子注入（Plasma Immersion Ion Implantation，PⅢ)，它是近二十年來發(fā)展的新型離子注入技術。這兩類離子注入技術雖然在產(chǎn)生高能離子的技術與方式上有很大的不同，但是在材料表面改性物理機理上是類同的，都是高能離子轟擊材料表面，入射的高能粒子與材料近表面層內(nèi)晶格粒子相互碰撞、逐次損失能量，入射粒子與晶格粒子相互作用、相互結合，在表面及近表面層內(nèi)形成新的化合物相，最終使材料表面及近表面層形態(tài)、形貌、成分、相結構等發(fā)生變化，從而使材料表面及近表面層的機械、化學、物理（電、磁、熱、光及熱學）等特性發(fā)生顯著變化。 1．1．1離子注入技術的發(fā)展 在離子注入技術發(fā)展過程中，LSS（Lindhard，Scharff及Schiott）模型的提出與成功應用對離子注入技術發(fā)展具有里程碑的意義，起到非常關鍵的作用。隨著數(shù)值分析技術、Monte Carlo法模擬技術的發(fā)展，Ziegler、Biersack和Littmark三人在LSS模型基礎上經(jīng)過不斷改進與完善，提出了ZBL模型，由此逐步形成了注入離子的基本理論：注入離子射程分布理論、照射期間離子能量損失理論、照射產(chǎn)生的輻射損傷分布理論以及在菲晶態(tài)與晶體內(nèi)不同離子穿透特性（隧道效應）理論。在這些基本理論指導下離子注入技術獲得了飛速發(fā)展。自20世紀60年代束線離子注入機成功地用于半導體材料處理和集成電路制作以來，束線離子注入（ⅠBⅡ)技術在半導體材料領域內(nèi)的應用獲得了巨大成功，形成了獨特的離子注入微細加工技術，有力地推動了整個電子工業(yè)的迅速發(fā)展；70年代初，用于半導體材料處理的離子注入機成功地用于金屬材料表面改性，顯著地提高了材料表面硬度、耐磨損與抗腐蝕能力，大大促進了IBH技術在非半導體材料表面改性方面的發(fā)展，IBII技術也迅速走向非半導體材料領域內(nèi)的商業(yè)應用。80年代，多種型號的離子注入機投向了非半導體材料表面改性的商業(yè)應用，其最大離子流達10mA，真空處理室直徑達60cm，長可達120cm[3-5]。

編輯推薦

《等離子體浸泡式離子注入與沉積技術》涉及多門學科和技術，專業(yè)知識面寬廣，內(nèi)容系統(tǒng)全面，實用性強，可作為材料科學與工程相關專業(yè)本科生和研究生以及從事表面技術研究、開發(fā)和生產(chǎn)的工程技術人員的參考書。

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