等離子體浸沒離子注入介質(zhì)材料鞘層演化規(guī)律

朱文艷

（重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶，402247）

等離子體浸沒離子注入介質(zhì)材料鞘層演化規(guī)律

朱文艷

（重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶，402247）

等離子體浸沒離子注入（Plasma-immersion-ion-implantation,簡稱PIII）已被廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體以及絕緣介質(zhì)材料改性等領(lǐng)域。通過一維流體力學(xué)模型，利用C語言實現(xiàn)編程，對一維平面介質(zhì)靶鞘層特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了鞘層的演化規(guī)律，模擬的結(jié)果可以為優(yōu)化實際的工藝參數(shù)提供參考。

等離子體浸沒離子注入；冷流體力學(xué)模型；鞘層；數(shù)值模擬

1 等離子體浸沒離子注入技術(shù)及其應(yīng)用

等離子體是繼固液氣之后排在第四位的物質(zhì)形態(tài)，所以也被稱物質(zhì)的第四態(tài)。其中基于等離子體的離子注入是有關(guān)等離子體的很有實際意義的應(yīng)用。1988年Tendys等提出了PIII（Plasma Immersion Ion Implantation）表面改性技術(shù)。

在實際的PIII工藝過程中我們將被處理物體以浸泡式方法置于等離子體中，然后在靶上加一負(fù)脈沖形式電壓，這樣就會把靶周圍電子急速“排擠”掉，留下的正離子在物體表面附近形成起關(guān)鍵作用的鞘層。之后離子就會受到鞘層內(nèi)電場的靜電作用力，全方位進(jìn)入到待處理物體表層。如果形成的離子鞘層形狀和靶的形狀相似，入射離子就可以實現(xiàn)全方位垂直均勻注入物體表層。

PIII技術(shù)可以應(yīng)用于金屬領(lǐng)域。國內(nèi)的一些重點(diǎn)實驗室曾采用PIII工藝對9Cr18軸承鋼表層進(jìn)行了雙注入及共注入Ti+N工藝處理[1]。將處理前后的樣品進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過PIII處理的樣品在顯微硬度性能方面有了明顯的改善。劉洪喜和湯寶寅[2]等就合金材料Ti6Al4V的表面性質(zhì)改良也使用了不同等離子體源的PIII工藝。氮離子被實現(xiàn)注入基體材料之后，材料的顯微硬度和抗摩擦磨損性能都得到明顯改善增強(qiáng)。

PIII在半導(dǎo)體領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用[3]。首先是Silicon-On-Insulator（SOI）材料的制備。現(xiàn)在SOI材料主要有注氧隔離的SIMOX（Separation By Implanted Oxygen)材料和智能剝離的（Smart-cut）SOI材料。以上的兩種SOI材料的制備過程都涉及到離子注入這一工藝。

PIII技術(shù)對生物領(lǐng)域的一些特定的材料也可實施改性。Briem、甘抗[4]等都就PEEK表面的骨向分化能力利用PIII改性進(jìn)行了研究。以NH4/Ar等離子體源進(jìn)行改性之后，PEEK表面的成骨細(xì)胞的增殖得到促進(jìn)；利用氮?dú)獾入x子體源改性之后，使得PEEK的生物學(xué)活性有所提高，而且表面抗細(xì)菌黏附性能也得到了改善。

2 PIII介質(zhì)材料鞘層演化的一維流體模型

2.1 鞘層理論

在一般的情況下，主等離子體區(qū)中在宏觀表現(xiàn)上滿足以下的電中性條件：當(dāng)?shù)入x子體與固體接觸時，在一個等離子體與固體表面接觸的一段區(qū)間內(nèi)電中性條件不再成立，這就是等離子體鞘層。

在PIII進(jìn)行過程中，我們將進(jìn)行離子注入處理的物體浸在等離子體中，然后開啟幅值很大的負(fù)脈沖形式電壓，在脈沖持續(xù)的階段，物體的表面附近就會產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，離子在電場力的作用下會朝著物體表面作加速運(yùn)動。這時會有以下事實：電子和離子在質(zhì)量這個物理量的對比中，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于關(guān)系，相應(yīng)等離子體中電子的響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子的響應(yīng)時間，當(dāng)電子已經(jīng)響應(yīng)運(yùn)動時離子還沒來得及動，而且電勢沿著工件表面到等離子體區(qū)方向降落。隨后，在離子也開始響應(yīng)的一段時間內(nèi)，離子不斷被加速且以一定的能量注入到介質(zhì)表面，隨著注入的繼續(xù)持續(xù)，鞘層內(nèi)的離子就會不斷減少，為了保證鞘層內(nèi)離子的數(shù)量，鞘層就會朝著等離子體區(qū)不斷擴(kuò)展，使得更多的離子進(jìn)入鞘層來屏蔽介質(zhì)靶表面的負(fù)電勢，不斷地注入到介質(zhì)靶表面，最終實現(xiàn)PIII表層性質(zhì)的改變。

綜上可知，在PIII過程中，施加負(fù)的脈沖形式的電壓之后形成的離子鞘層是實現(xiàn)離子注入的關(guān)鍵因素，而且鞘層的演化規(guī)律關(guān)系著離子注入的最終結(jié)果，所以對鞘層的大量研究很有價值。

2.2 碰撞鞘層冷流體力學(xué)模型

現(xiàn)在假設(shè)有一厚度為d的介質(zhì)靶完全處于等離子體中，且等離子體是均勻的，離子、電子和等離子體的密度均為 n0。一金屬電極置于介質(zhì)基板下面，且在金屬電極上加以負(fù)的脈沖形式的電壓

這樣密度為ni，流速為νi的離子就可以使用以下的冷流體方程組來描述：

采用的邊界條件有： ni( s , t ) = ne(s , t)， vi( s , t) = uB，

利用邊界條件和方程組就可以描述鞘層的演化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果及討論

首先在以下的討論中，我們設(shè)置加在金屬電極上的脈沖表達(dá)式如下：

在以下的模擬計算中，采用的工作氣體是氮?dú)猓铱紤]的離子只有 N2+離子，待處理物體的介質(zhì)層材料是三氧化二鋁（ A l2O3），其相對介電常數(shù) εr=8.8，電子溫度為kTee= 1 eV等離子體密度 n0= 6 .8× 1 09cm-3，金屬電極上所施加負(fù)的脈沖形式的電壓幅值 Vp=-1 0kV，脈沖上升沿時間脈沖持續(xù)時間，脈沖下降沿時間。介質(zhì)靶的厚度d=1.0mm。

經(jīng)過模擬計算可以得到以下結(jié)論：隨著鞘層不斷變化，介質(zhì)靶表面離子被不斷注入，離子密度不斷減小。在某一固定時刻，從鞘層邊界到介質(zhì)靶表面，離子密度不斷減小。從負(fù)高壓脈沖開啟到關(guān)閉的這段時間，離子密度曲線以先快后慢的方式逐漸移向等離子體區(qū)。加上負(fù)脈沖偏壓后，電子符合玻爾茲曼分布，被很快地排斥到約150Dλ之外的區(qū)域。在鞘層與等離子體區(qū)分界處，電子密度的增加方式幾乎是垂直式的。在鞘層區(qū)域，電子密度基本是零，而離子密度比較均勻。隨著離子不斷注入以及鞘層不斷變化，介質(zhì)靶表面的電勢幅值不斷減小，而且在脈沖下降沿開始的時候，表面電勢值降低很明顯。鞘層內(nèi)電場分布不均勻，在鞘層與等離子體的分界處下降得很快。在脈沖下降沿時間內(nèi)，電場值很小。當(dāng)脈沖開始下降的時候，不管是電勢還是電場，變化的幅度很大，而且在下降的時間內(nèi)二者的變化沒有在脈沖開始時變化的幅度大。當(dāng)負(fù)高壓加在介質(zhì)材料上面時，鞘層會不斷地向外擴(kuò)展，其厚度不斷增加，而且增加的速率逐漸減小。當(dāng)脈沖開始下降時，鞘層的厚度不斷減小，到脈沖結(jié)束時減小到接近零的位置。離子流密度很快上升到最大值并且在很短時間內(nèi)快速降低，隨后緩慢減小到零。注入介質(zhì)表面離子的能量在脈沖剛開始階段，快速增大，后來在脈沖下降沿時間內(nèi)，能量有所減小。

4 結(jié)語

本文通過建立一維流體力學(xué)模型，利用C語言實現(xiàn)模型的構(gòu)建，數(shù)值模擬研究了介質(zhì)靶材料的PIII過程。具體研究的是一維平板模型，待處理物體是絕緣介質(zhì)材料，在實際的PIII過程中，通過建立一維冷流體模型研究了待處理物體表層附近鞘層的變化規(guī)律。模型中利用離子的冷流體方程、泊松方程以及介質(zhì)材料表面的充電方程分別確定了離子的運(yùn)動、鞘層內(nèi)的電勢電場分布和表面電勢的演化規(guī)律。通過具體的數(shù)值模擬計算，我們可以發(fā)現(xiàn)：在單個負(fù)的脈沖高壓的作用下，鞘層內(nèi)各物理量的演化是非均勻的并且絕緣材質(zhì)的待處理物體在具體的PIII過程中會產(chǎn)生表面充電效應(yīng).

[1]蔣釗,周暉,桑瑞鵬,等.空間用 9Cr18 鋼 PIII 復(fù)合離子注入表面改性工藝研究[J].宇航材料工藝, 2013(3):100-104.

[2]湯寶寅,王浪平.等離子體浸泡式離子注入與沉積技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012.

[3]朱鳴.新結(jié)構(gòu)SOI材料與器件物理研究[D].中國科學(xué)院研究生院(上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所),2005.

[4]甘抗.聚醚醚酮植入材料表面改性的實驗研究[D].吉林大學(xué),2016.

Evolution of sheath in plasma immersion ion implantation

Zhu Wenyan
(Chongqing public transport Career Academy,Chongqing,402247)

Plasma immersion ion implantation (Plasma-immersion-ion-implantation, referred to as PIII) has been widely used in metal, semiconductor and insulating materials. Through the field of modified onedimensional hydrodynamic model, using C programming language, the one-dimensional planar dielectric sheath characteristics are investigated by numerical simulation, obtained the evolution law of the sheath,simulation the results can provide a reference for the optimization of process parameters in practice.

plasma immersion ion implantation; cold fluid mechanics model; sheath; numerical simulation

重慶市高等職業(yè)院校專業(yè)能力建設(shè)（骨干專業(yè)：城市軌道交通機(jī)電技術(shù)專業(yè)）項目成果之一。