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(méi)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(méi)離子注入（Plasma-immersion-ion-implantation,簡(jiǎn)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(guò)一維流體力學(xué)模型，利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)編程，對(duì)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(shí)際的工藝參數(shù)提供參考。

等離子體浸沒(méi)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(méi)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(shí)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(shí)際的PIII工藝過(guò)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(huì)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(huì)受到鞘層內(nèi)電場(chǎng)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(shí)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(guó)內(nèi)的一些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾采用PIII工藝對(duì)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(guò)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(shí)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(guò)程都涉及到離子注入這一工藝。

PIII技術(shù)對(duì)生物領(lǐng)域的一些特定的材料也可實(shí)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(shí)，在一個(gè)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(guò)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，離子在電場(chǎng)力的作用下會(huì)朝著物體表面作加速運(yùn)動(dòng)。這時(shí)會(huì)有以下事實(shí)：電子和離子在質(zhì)量這個(gè)物理量的對(duì)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)電子已經(jīng)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)離子還沒(méi)來(lái)得及動(dòng)，而且電勢(shì)沿著工件表面到等離子體區(qū)方向降落。隨后，在離子也開(kāi)始響應(yīng)的一段時(shí)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(huì)不斷減少，為了保證鞘層內(nèi)離子的數(shù)量，鞘層就會(huì)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(lái)屏蔽介質(zhì)靶表面的負(fù)電勢(shì)，不斷地注入到介質(zhì)靶表面，最終實(shí)現(xiàn)PIII表層性質(zhì)的改變。

綜上可知，在PIII過(guò)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(shí)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(duì)鞘層的大量研究很有價(jià)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(lái)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?cè)O(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(jì)算中，采用的工作氣體是氮?dú)?，而且考慮的離子只有 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(duì)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(shí)間脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖下降沿時(shí)間。介質(zhì)靶的厚度d=1.0mm。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)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(shí)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(kāi)啟到關(guān)閉的這段時(shí)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(shì)幅值不斷減小，而且在脈沖下降沿開(kāi)始的時(shí)候，表面電勢(shì)值降低很明顯。鞘層內(nèi)電場(chǎng)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(shí)間內(nèi)，電場(chǎng)值很小。當(dāng)脈沖開(kāi)始下降的時(shí)候，不管是電勢(shì)還是電場(chǎng)，變化的幅度很大，而且在下降的時(shí)間內(nèi)二者的變化沒(méi)有在脈沖開(kāi)始時(shí)變化的幅度大。當(dāng)負(fù)高壓加在介質(zhì)材料上面時(shí)，鞘層會(huì)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(kāi)始下降時(shí)，鞘層的厚度不斷減小，到脈沖結(jié)束時(shí)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(shí)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(kāi)始階段，快速增大，后來(lái)在脈沖下降沿時(shí)間內(nèi)，能量有所減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立一維流體力學(xué)模型，利用C語(yǔ)言實(shí)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(guò)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(shí)際的PIII過(guò)程中，通過(guò)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(dòng)、鞘層內(nèi)的電勢(shì)電場(chǎng)分布和表面電勢(shì)的演化規(guī)律。通過(guò)具體的數(shù)值模擬計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)：在單個(gè)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(guò)程中會(huì)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(guó)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目成果之一。