CN1268781C - 离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法 - Google Patents

Abstract

一种离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法。用于材料表面改性领域。首先，完成对系统的预先抽真空，获得气态或者汽态的注入或者注入且沉积用的粒子，然后利用馈送管路系统，将注入或者注入且沉积用粒子的离化和注入或者注入且沉积，导入到一个离化和注入或者注入且沉积工作室的点状阳极，在离化和注入或者注入且沉积工作室中，点状阳极接电源的正极和大面积阴极或大面积阴极靶台接电源负极，两者之间构成带有电子聚焦作用的电场，当电压大于起辉电压时，阳极和阴极之间产生辉光放电，工件附近等离子体中离子被加速，电子被驱离，形成等离子体鞘层，离子通过鞘层后被加速，注入到工件内部或者沉积到工件表面，完成材料表面改性过程。

Description

离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种材料表面改性方法，具体是一种离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法。用于材料技术领域。

背景技术

材料离子注入或者注入且沉积的表面改性技术发展到今天，已经取得了令人瞩目的成果。但目前的离子注入或者注入且沉积方法通常需要各种昂贵的离子源或者等离子体激发装置，结构复杂，成本高。

经文献检索发现，Conrad等人申请美国专利，专利号：4764394，专利名称：等离子体源离子注入方法与装置(Method and apparatus for plasma source ion.implantation)，该专利技术是：把物体置于真空容器内，然后采用不同的离子源产生等离子体：如热灯丝电子激发、射频激发、微波激发、电磁振荡、真空电弧、磁控溅射等多种形式的等离子源形成等离子体后，同时在工件上施加高负偏压进行离子注入。但是，离子注入的时候，注入离子的轮廓受到鞘层厚度的限制，而鞘层的形成跟工件的形状有密切的关系，因此，对于非圆球形状的工件，其形成的鞘层曲率可能普遍小于工件本身的曲率，这样，在孔隙、罅缝、棱角、边缘等地方，注入剂量不均匀；在注入过程中，随着离子的消耗，电子向边缘的驱离，二次电子的产生等，工件上连续施加负偏压的时间不能过长，过长会使得鞘层扩展到真空室壁引起打火或熄灭；由于等离子体的产生依然通常需要复杂的辅助设备，无形中会增加全方位离子注入的成本及操控复杂性，影响工艺的可精确重复率；不能适用于所有元素的等离子体化，特别是对于低电导率的固体材料如硫、磷以及硼、硅、锗等半导体和元素周期表中的IA和IIA族的多数低熔点、高化学活性的元素等，而这些物质有望被应用于生物、光学、电子的各个领域。

发明内容

本发明针对背景技术中所存在的上述不足和缺陷，提供一种离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，使其克服全方位离子注入或者注入且沉积的方法不能对硫、磷等低电导率的固体材料以及一些低熔点或高蒸汽压的导电材料如钠、钙等元素进行有效等离子体化并进行注入的缺点。本发明不仅能够适用于低熔点、高蒸汽压元素，而且也可以用于气体或汽态物质中元素的离子注入或者注入且沉积。

本发明是通过以下技术方案实现的，首先，完成对系统的预先抽真空，获得气态或者汽态的注入或者注入且沉积用的粒子，然后利用馈送管路系统，将注入或者注入且沉积用粒子的离化和注入或者注入且沉积，导入到一个离化和注入或者注入且沉积工作室的点状阳极，在离化和注入或者注入且沉积工作室中，点状阳极接电源的正极和大面积阴极或大面积阴极靶台接电源负极，两者之间构成带有电子聚焦作用的电场，当电压大于起辉电压时，阳极和阴极之间产生辉光放电，工件附近的等离子体中的离子被加速，电子被驱离，形成等离子体鞘层，离子通过鞘层后被加速，注入到工件内部或者沉积到工件表面，完成离子注入或者注入且沉积的材料表面改性过程。

以下对本发明作进一步的说明：

所述的获得气态或者汽态的注入或者注入且沉积用的粒子是指：当注入或者注入且沉积用元素中，至少有一种是固态物质时，首先要获得该固态物质的汽化粒子，然后再采用带有绝热或者有额外加热的馈送管路系统，将粒子导入到离化和注入或者注入且沉积工作室；对于在工作温度本身即为汽态或者气态的注入或者注入且沉积用元素，通过流量控制直接导入，注入或者注入且沉积用粒子导入过程中，可以采用其他气体如惰性气体作为载气，同注入或者注入且沉积用粒子一起供给给离化和注入或者注入且沉积工作室，从而帮助注入或者注入且沉积用粒子的馈送，并提供离化所需要的气压，调节注入剂量，以保证随后的离化和注入或者注入且沉积过程的稳定。

所述的注入或者注入且沉积用粒子的离化和注入或者注入且沉积是指：在导入注入或者注入且沉积用粒子后，注入或者注入且沉积用粒子的离化、注入、注入且沉积在离化和注入或者注入且沉积工作室中进行，离化和注入或者注入且沉积工作室是一个至少包括一个小面积的点状阳极和至少一个大面积阴极或大面积阴极靶台如工作靶台的腔体构成，小面积点状阳如空心阳极极接电源的正极并能接地，大面积阴极或大面积阴极靶台接电源负极，点状阳极和大面积阴极或大面积阴极靶台之间，形成一个对电子进行聚焦的电场，点状阳极和大面积阴极或大面积阴极靶台间的电压大于起辉电压时，发生气体的辉光放电，利用对电子进行聚焦的电场将离化和注入或者注入且沉积工作室里面的气氛离化，进行聚焦增强辉光等离子体气体放电，在离化和注入或者注入且沉积工作室内形成增强了的自辉光等离子体，在点状阳极和靶台间电场的作用下，离子被加速注入或者注入且沉积到工件表面，形成对工件的表面改性。由于电子向点状阳极如空心阳极聚集，提高了粒子的离化率，因此可以不需要其他离化措施，但是，可以同时采用如射频等辅助离化措施。

在点状阳极如空心阳极和靶台之间施加的电压可以根据真空度的不同而不同，但是必须大于起辉的临界电压，电压范围可以在0.5kV-100kV。

中性原子到达工件沉积到表面，也参与工件的表面改性过程。

本发明因为采用了小面积阳极如空心阳极辉光放电结构，而且采用了阳极电子聚焦的方法对蒸发的蒸汽元素或导入的其他汽态、气态元素进行电离，从而大大提高了汽态或者气态元素的离化率，不需要辅助的等离子体激发装置就可以直接通过工件的负偏压进行离子注入或者注入且沉积，而且，注入剂量大，效率高。

因此，本发明具有以下优点：方法简单，只需要注入电源，不需要辅助等离子体激发装置，成本低。采用聚焦电子增大了自辉光等离子体的放电，提高了离化率，因此，注入剂量高，效率高。

附图说明

图1固态物质使用本发明方法的实例示意图

图2汽态或者气态物质使用本发明方法的实例示意图

具体实施方式

以下结合附图和本发明方法的内容提供实施例，对本发明作进一步的理解。

图1给出了利用本方法对低熔点、高蒸汽压的固态物质元素的注入或者注入且沉积的实施示意图。

首先，对系统进行抽真空，既可以采用图1所示通过排气孔1提供背底真空和维持工作气压，也可以由连接到离化和注入或者注入且沉积工作室2上的各种公知真空系统(图中未给出)提供背底真空，和保障工作气压。也可以采用其他公知手段如将离化和注入或者注入且沉积工作室直接放置在一个大的真空环境中(图中未给出)，提供背底真空和保障工作气压。

对于要注入或者注入且沉积用的元素或者元素中的一种是来源于特定固态物质3时，首先需要对特定固态物质3蒸发、汽化，获得注入或者注入且沉积用粒子4。蒸发可以在各种公知的蒸发源5中进行。蒸发出来的注入或者注入且沉积用粒子4可以在承载用气体物质6的承载情况下载入，承载用气体物质6可以是参与注入或者注入且沉积的物质，也可以是不参与注入或者注入且沉积的惰性气体，或者是混合气体。承载用气体物质6的采用，一方面可以调节注入或者注入且沉积用粒子4的运输，一方面可以调控注入或者注入且沉积用粒子4浓度，第三，承载用气体物质6还可以为注入或者注入且沉积用粒子4的离化，提供一个自辉光等离子体形成所需要的气压，从而为离化、注入或者注入且沉积的顺利进行提供保障。

对于在工作温度下，本身即为汽态或者气态的注入或者注入且沉积用粒子4，可以不用象固态物质那样需要蒸发，而是可以如图2所示，经由一个载入管道7直接载入，对于气态或者汽态物质的载入，也可以采用其他气体物质作为载气与之混合后载入(图中未给出)，这时，加入其它承载用气体物质的主要作用是稀释注入或者注入且沉积用气态或者汽态物质中的粒子4，使得注入可以按照要求剂量如低剂量进行。

另外，承载用气体物质6的导入也可以用来为注入或者注入且沉积用粒子的离化提供一个合适的自辉光等离子体形成气压，从而保证离化和注入或者注入且沉积的顺利进行，也可以本身作为离化和注入或者注入且沉积用的粒子的一部分。

注入或者注入且沉积用粒子4导入到离化和注入或者注入且沉积工作室2之前，可以采用一个流量调节装置8，调节流量。从而进一步控制离化和注入或者注入且沉积工作室2中的气压，使得离化和注入或者注入且沉积工作室2中的气压能够满足起辉的条件，形成自辉光等离子体，进而为注入或者注入且沉积提供保障。

为了进一步保障自辉光等离子体气体放电过程的顺利进行，也可以设置额外的带有公知的流量调节设施的公知的气体馈送设备(图中未给出)，直接接到离化和注入或者注入且沉积工作室2，以进一步控制其中的气压。

对于要注入或者注入且沉积用的元素或者元素中多种都是固态物质时，每种固态物质的提供均可以采用上述方法。

注入或者注入且沉积用粒子4被运送到离化和注入或者注入且沉积工作室2前的馈送过程中，尤其是对于蒸发出来的固态元素的蒸汽粒子，传输用的馈送管路系统9采用绝热或者将馈送管路系统9加热，以保证粒子被馈送进入离化和注入或者注入且沉积工作室2，防止蒸发出来的粒子凝固到馈送管路系统9上堵塞。对于在工作温度下本身是气态或者汽态的粒子，馈送系统可以不采用绝热或者加热措施。

注入或者注入且沉积用粒子4被运送到离化和注入或者注入且沉积工作室2时，首先经过点状阳极10如空心阳极。离化和注入或者注入且沉积工作室2的结构应包括至少一个点状阳极10和至少一个大面积阴极或大面积阴极靶台11。点状阳极接主电源(图中未给出)的正极性端，大面积阴极或大面积阴极靶台11接负极性端(图中未给出)，这样，在点状阳极10和大面积阴极或大面积阴极靶台11之间，形成一个具有电子向阳极聚焦作用的电场，在随后的气体放电的过程中，等离子体中的电子，以及由于注入而产生的二次电子，在该聚焦电场的作用下，电子向点状阳极附近聚集，在点状阳极附近形成一个电子聚集区域12。该处将正常气体放电中的阳极位降区的电压降值提高，进一步加大电子在该处的能量。注入或者注入且沉积用粒子4从点状阳极10如空心阳极附近进入离化和注入或者注入且沉积工作室2时，首先要穿过该电子聚集区域12，粒子被电子聚集区的电子离化，从而使得粒子的离化具有比普通气体放电高的离化率，形成高离化率等离子体。

在此过程中，也可以采用其他辅助的离化措施，如射频激发、灯丝放电等，进行气体的辅助离化。

工件放置在大面积阴极或大面积阴极靶台11上，等离子体中的离子在电场的作用下，飞向阴极，注入或者注入且沉积到工件的表面。离化和注入或者注入且沉积工作室中的原子，也可以运动到工件表面上被吸附，进而沉积到工件表面，从而完成整个注入或者注入且沉积表面改性的过程。

该方法采用点状阳极，利用电场对电子的聚焦作用，提供注入或者注入且沉积所需要的离子。对引入真空工作室的粒子的离化是采用高压本身所产生的异常辉光放电来离化。因此该方法有别于美国Corad教授提出的由外加等离子体源作为注入离子生成模式的等离子基离子注入。克服了现有技术中不能对硫、磷等低电导率的固体材料以及一些低熔点或高蒸汽压的导电材料如钠、钙等元素进行有效等离子体化并进行注入的缺点。

Claims (5)

1、一种离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，其特征在于，首先，完成对系统的预先抽真空，获得气态或者汽态的注入或者注入且沉积用的粒子，然后利用馈送管路系统，将注入或者注入且沉积用粒子导入到一个离化和注入或者注入且沉积工作室的点状阳极，进行注入或者注入且沉积用粒子的离化和注入或者注入且沉积，在离化和注入或者注入且沉积工作室中，点状阳极接电源的正极和大面积阴极或大面积阴极靶台接电源负极，两者之间构成带有电子聚焦作用的电场，当电压大于起辉电压时，阳极和阴极之间产生辉光放电，工件附近的等离子体中的离子被加速，电子被驱离，形成等离子体鞘层，离子通过鞘层后被加速，注入到工件内部或者沉积到工件表面，完成离子注入或者注入且沉积的材料表面改性过程。

2、根据权利要求1所述的离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，其特征是，所述的获得气态或者汽态的注入或者注入且沉积用的粒子是指：当注入或者注入且沉积用元素中，至少有一种是固态物质时，首先要获得该固态物质的汽化粒子，然后再采用带有绝热或者有额外加热的馈送管路系统，将粒子导入到离化和注入或者注入且沉积工作室；对于在工作温度本身即为汽态或者气态的注入或者注入且沉积用元素，通过流量控制直接导入，注入或者注入且沉积用粒子导入过程中，或者采用惰性气体作为载气，同注入或者注入且沉积用粒子一起供给离化和注入或者注入且沉积工作室，从而帮助注入或者注入且沉积用粒子的馈送，并提供离化所需要的气压，调节注入剂量。

3、根据权利要求1所述的离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，其特征是，所述的注入或者注入且沉积用粒子的离化和注入或者注入且沉积是指：在导入注入或者注入且沉积用粒子后，注入或者注入且沉积用粒子的离化、注入、注入且沉积在离化和注入或者注入且沉积工作室中进行，离化和注入或者注入且沉积工作室由一个至少包括一个小面积的点状阳极和至少一个大面积阴极或大面积阴极靶台的腔体构成，小面积点状阳极接电源的正极并能接地，大面积阴极或大面积阴极靶台接电源负极，点状阳极和大面积阴极或大面积阴极靶台之间，形成一个对电子进行聚焦的电场，点状阳极和大面积阴极或大面积阴极靶台间的电压大于起辉电压时，发生气体的辉光放电，利用对电子进行聚焦的电场将离化和注入或者注入且沉积工作室里面的气氛离化，进行聚焦增强辉光等离子体气体放电，在离化和注入或者注入且沉积工作室内形成增强了的自辉光等离子体，在点状阳极和靶台间电场的作用下，离子被加速注入或者注入且沉积到工件表面，形成对工件的表面改性。

4、根据权利要求3所述的离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，其特征是，所述的气氛，其依靠点状阳极和大面积阴极或大面积阴极靶台间的聚焦电场离化，或者同时采用辅助离化手段。

5、根据权利要求1或者3所述的离子注入或者注入且沉积的材料表面改性方法，其特征是，所述的电压大于起辉电压是指，电压范围在0.5kV-100kV。

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