等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术。靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性。为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成。本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律。

4产品名称-I等离子体浸没离子注入机（PⅢ）

研制单位： 中国科学院微电子研究所 产品介绍： 研制产品针对等离子体浸没式离子注入技术（Plasma Imersion Ion Implantation，简称PⅢ），该技术是一种全新原理的半导体掺杂技术，它是将晶圆直接浸没在等离子体中，通过在晶圆上施加注入能量从而实现离子的掺杂。同时在进行超低能注入时还可实现高的注入剂量和高产能。

LY12CZ铝合金表面等离子浸没离子注入氮层的摩擦磨损性能研究

对LY12CZ(2024)铝合金进行了氮等离子体浸没离子注入(PIII)处理,分析比较了不同工艺参数下离子注入前后试样的化学组成、各元素的化学价态及其摩擦磨损性能.结果表明:铝合金表面改性层中形成了弥散强化的氮化铝(A lN)相;与基体相比,铝合金试样在不同条件下处理后的表面显微硬度均有所提高,最大增幅达1.4倍;铝合金的磨损质量损失减少了75%,摩擦系数显著降低,表面综合性能得到了显著改善.

9Cr18轴承钢表面不同等离子体浸没离子注入强化处理技术研究

采用不同的等离子体浸没离子注入 (PIII)工艺在 9Cr18轴承钢表面进行了气体、金属、金属加气体的离子注入和碳化钛 (TiC)、类金刚石 (DLC)薄膜的等离子体浸没离子注入与沉积 (PIIID)。对处理后的试样进行了X射线光电子能谱 (XPS)、X射线衍射 (XRD)、俄歇电子能谱 (AES)和拉曼光谱 (Raman)分析 ;测试了处理前后试样的显微硬度、磨痕宽度和摩擦系数。结果表明 :处理后试样表面均形成了不同的改性层 ,且改性层中化学组成和各元素的浓度 深度分布随处理工艺的不同而变化 ;处理后试样的显微硬度都有较大提高 ,最大增幅达 77.7% ;表面摩擦系数由 0 .8下降到0 .16 ;磨痕宽度减少了 2 3倍 ;与PIII工艺相比 ,相同参数下 ,PIIID处理后的试样表面综合性能更加优异。

等离子浸没离子注入合成TiN/Ti-O梯度薄膜的成分与力学性能

用等离子浸没离子注入和沉积(PⅢ-D)的方法,采用三种工艺分别在Si、Ti6Al4V和热解碳(LTIC)表面合成了TiN／Ti-O梯度薄膜。用可编程逻辑控制器(PLC)为核心的一套控制系统控制金属源阴极的推进和气体成分的改变。使用纳米压痕仪、针盘式摩擦磨损试验机和结合力测试仪分析了梯度薄膜的力学性能,梯度薄膜硬度最高可达19.5 GPa,薄膜结合力可达到68 N左右。采用X射线衍射(XRD)分析表明,表层的薄膜为具有金红石结构的氧化钛,二次离子质谱(SIMS)对薄膜进行了定性分析,证实薄膜具有梯度特性。采用X射线光电子能谱(XPS)对梯度薄膜进行近表面成分分析,结果表明合成的TiN／Ti-O薄膜是非化学计量的,其成分组成为TiO2、Ti2O3和TiO。使用扫描电镜(SEM)观察了薄膜磨痕、结合力划痕,结果表明,控制合成的TiN／Ti-O梯度薄膜具有良好的力学性能。

等离子体浸没离子注入改善45钢的摩擦学性能

采用灯丝放电和射频 (RF)辉光放电等离子体浸没离子注入 (PIII)工艺对 4 5钢表面进行了氮离子注入强化处理。通过X射线光电子能谱 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、显微硬度、针 -盘磨损和电化学腐蚀试验等测试手段 ,分析比较了经灯丝放电PIII和RF辉光放电PIII改性后试样表面元素的浓度分布、显微硬度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。结果表明 :不同条件下的氮离子注入均能提高 4 5钢表面的显微硬度、耐磨性和抗腐蚀性能 ;且RF辉光放电PIII处理后试样的显微硬度提高了 76 8% ,摩擦系数下降到 0 3,与灯丝放电PIII处理后的试样相比 ,其表面强化效果更加明显。

等离子体浸没式离子注入-离子束增强沉积TiN膜研究

本文采用一种新型的等离子体浸没式离子注入 离子束增强沉积的技术(PIII IBAD),在Cr12MoV钢基体上制备出了TiN膜,对沉积膜的组织进行了光电子能谱分析,并对沉积膜进行了硬度检测、摩擦试验及磨痕形貌分析。试验结果表明,沉积膜中的组织为TiN、TiO2和Ti2O3,TiN膜具有高达Hv3200的高硬度和极其优良的摩擦性能。

用等离子体浸没离子注入制作亚100nmP^+/N结

采用等离子体浸没离子注入(PⅢ)技术,通过SiF_4预非晶化后进行BF_3掺杂制作了亚100nmP^+/n结。这种方法的掺杂率可高达10^(16)/cm^2·s。硅片浸没在SiF_4或BF_3等离子体中并加负偏压。带正电的离子由等离子体层内的电场加速后注入到硅片中。改变加在硅片支座上的负压及热退火的条件就可控制结深。

氧等离子体离子注入Ti6Al4V表面强化研究

采用PⅢ对Ti6Al4V合金进行表面处理，温度控制在300～400℃之间，利用小掠射角X射线衍射技术（GXRD）、扫描电镜（SEM）研究不同工艺条件下的相结构和表面形貌，并且测量处理后试样的显微硬度、摩擦磨损性能。结果表明：试样表面形成了金红石相，且试样表面变得粗糙；在390℃处理后的试样硬度提高27％，抗磨损性能提高。

TC4合金表面全方位离子注入Ag的耐摩擦磨损和抗腐蚀性能

为改善TC4合金表面的耐磨性能和抗腐蚀性能,用等离子体浸没离子注入(PIII)技术在合金表面注入不同剂量的金属银。采用XRD、XPS、AES等方法分析改性层的元素浓度分布和化学组成,研究Ag离子注入后试样表面的耐摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、纳米硬度和弹性模量。结果表明,表面改性层中主要存在Ag相,同时含有少量的TiAg;处理后注入剂量为1×1017ions/cm2试样的纳米硬度和弹性模量分别提高62.5%和54.5%;磨损面积减小57.6%;摩擦系数由基体合金的0.78下降到0.2。在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度明显减小,耐蚀性得到了显著改善。

用于材料表面强化处理的第三代多功能PⅢ装置

第三代多功能等离子体浸没离子注入 (PIII)装置的强流脉冲阴极弧金属等离子体源既具有强的镀膜功能 ,同时也具有强的金属离子注入功能 ;它的脉冲高压电源能输出大的电流 ;并可获得高的注入剂量均匀性。该装置既能执行离子注入 ,又能把离子注入与溅射沉积 ,镀膜结合在一起 ,形成多种综合性表面改性工艺。本文描述了它的主要设计原则、主要部件的特性以及近期的研究工作成果。

等离子体浸没式离子注入圆形薄片均匀性研究

采用PIC(Particalincall)方法考察了等离子体浸没式离子注入工艺中,样品和靶台的几何尺寸、形状及防止溅射沾污的绝缘材料对于注入离子径向分布的影响。并对模拟结果进行了讨论分析。结果表明,影响剂量分布的主要因素是基片和靶台的横向尺寸,为改善等离子体浸没式离子注入均匀性的研究提供参考数据。

基于PIII技术的高真空洁净环境中润滑问题

针对高洁净的真空环境下终端光学组件内运动机构的润滑问题,采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术对复杂形状的零件进行表面改性,通过轴承内外圈表面改性前后的对比实验分析,结果表明,通过对注入元素、剂量和能量的选择,可以大幅度提高材料表面的硬度及耐磨性,并且零件的尺寸精度及表面粗糙度保持性好,充分证明了PIII技术可以在满足颗粒洁净度和有机物洁净度的双重要求条件下,提高运动部件抗摩擦磨损性能,延长微驱动机构的运动精度寿命,是解决终端光学组件中润滑问题的有效途径。

PIII技术在制备c-BN硬化层中的应用

采用一种新型的等离子体浸没式离子注入技术 (PIII)在渗硼后的 5 0Mn钢试样上制备出了厚度为 0 .15～ 0 .2mm的立方氮化硼 (c BN)表面硬化层。经X射线电子能谱 (XPS)和X射线衍射分析 (XRD) ,发现硬化层中的组织有立方氮化硼 (c BN)、六方氮化硼 (h BN)、B2 O3,FeB和Fe2 B。在表层 60nm的深度范围内 ,c BN的含量较高。采用球盘式无润滑滑动摩擦实验和维氏显微硬度实验分别对渗硼 +PIII复合处理以及单独渗硼的 5 0Mn钢试样的性能进行了对比实验。结果表明 :与单独渗硼的试样相比 ,经渗硼 +PIII复合处理的试样具有高得多的硬度 (高达HV0 .1N44GPa)

立方氮化硼表面硬化层的制备及性能

用渗硼和新型的等离子体浸没式氮离子注入技术(PⅢ)对Cr12MoV钢进行复合处理,制备出了含有立方氮化硼的表面硬化层。经X光电子能谱和X射线衍射分析发现硬化层中的组织主要是立方氮化硼(c BN)、六方氮化硼(h BN)、FeB和Fe2B。在与单独渗硼处理的Cr12MoV钢试样进行对比时,对立方氮化硼表面硬化层进行了维氏显微硬度和滑动摩擦试验。结果表明:硬化层具有高达48GPa的高硬度和优良的摩擦性能。