專利名稱：離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料表面改性方法，具體是一種離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法。用于材料技術領域。
背景技術：
材料離子注入或者注入且沉積的表面改性技術發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了令人矚目的成果。但目前的離子注入或者注入且沉積方法通常需要各種昂貴的離子源或者等離子體激發(fā)裝置，結構復雜，成本高。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Conrad等人申請美國專利，專利號4764394，專利名稱等離子體源離子注入方法與裝置(Method and apparatus for plasma source ionimplantation)，該專利技術是把物體置于真空容器內，然后采用不同的離子源產生等離子體如熱燈絲電子激發(fā)、射頻激發(fā)、微波激發(fā)、電磁振蕩、真空電弧、磁控濺射等多種形式的等離子源形成等離子體后，同時在工件上施加高負偏壓進行離子注入。但是，離子注入的時候，注入離子的輪廓受到鞘層厚度的限制，而鞘層的形成跟工件的形狀有密切的關系，因此，對于非圓球形狀的工件，其形成的鞘層曲率可能普遍小于工件本身的曲率，這樣，在孔隙、罅縫、棱角、邊緣等地方，注入劑量不均勻；在注入過程中，隨著離子的消耗，電子向邊緣的驅離，二次電子的產生等，工件上連續(xù)施加負偏壓的時間不能過長，過長會使得鞘層擴展到真空室壁引起打火或熄滅；由于等離子體的產生依然通常需要復雜的輔助設備，無形中會增加全方位離子注入的成本及操控復雜性，影響工藝的可精確重復率；不能適用于所有元素的等離子體化，特別是對于低電導率的固體材料如硫、磷以及硼、硅、鍺等半導體和元素周期表中的IA和IIA族的多數(shù)低熔點、高化學活性的元素等，而這些物質有望被應用于生物、光學、電子的各個領域。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對背景技術中所存在的上述不足和缺陷，提供一種離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，使其克服全方位離子注入或者注入且沉積的方法不能對硫、磷等低電導率的固體材料以及一些低熔點或高蒸汽壓的導電材料如鈉、鈣等元素進行有效等離子體化并進行注入的缺點。本發(fā)明不僅能夠適用于低熔點、高蒸汽壓元素，而且也可以用于氣體或汽態(tài)物質中元素的離子注入或者注入且沉積。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，首先，完成對系統(tǒng)的預先抽真空，獲得氣態(tài)或者汽態(tài)的注入或者注入且沉積用的粒子，然后利用饋送管路系統(tǒng)，將注入或者注入且沉積用粒子的離化和注入或者注入且沉積，導入到一個離化和注入或者注入且沉積工作室的點狀陽極，在離化和注入或者注入且沉積工作室中，點狀陽極接電源的正極和大面積陰極或大面積陰極靶臺接電源負極，兩者之間構成帶有電子聚焦作用的電場，當電壓大于起輝電壓時，陽極和陰極之間產生輝光放電，工件附近的等離子體中的離子被加速，電子被驅離，形成等離子體鞘層，離子通過鞘層后被加速，注入到工件內部或者沉積到工件表面，完成離子注入或者注入且沉積的材料表面改性過程。
以下對本發(fā)明作進一步的說明所述的獲得氣態(tài)或者汽態(tài)的注入或者注入且沉積用的粒子是指當注入或者注入且沉積用元素中，至少有一種是固態(tài)物質時，首先要獲得該固態(tài)物質的汽化粒子，然后再采用帶有絕熱或者有額外加熱的饋送管路系統(tǒng)，將粒子導入到離化和注入或者注入且沉積工作室；對于在工作溫度本身即為汽態(tài)或者氣態(tài)的注入或者注入且沉積用元素，通過流量控制直接導入，注入或者注入且沉積用粒子導入過程中，可以采用其他氣體如惰性氣體作為載氣，同注入或者注入且沉積用粒子一起供給給離化和注入或者注入且沉積工作室，從而幫助注入或者注入且沉積用粒子的饋送，并提供離化所需要的氣壓，調節(jié)注入劑量，以保證隨后的離化和注入或者注入且沉積過程的穩(wěn)定。
所述的注入或者注入且沉積用粒子的離化和注入或者注入且沉積是指在導入注入或者注入且沉積用粒子后，注入或者注入且沉積用粒子的離化、注入、注入且沉積在離化和注入或者注入且沉積工作室中進行，離化和注入或者注入且沉積工作室是一個至少包括一個小面積的點狀陽極和至少一個大面積陰極或大面積陰極靶臺如工作靶臺的腔體構成，小面積點狀陽如空心陽極極接電源的正極并能接地，大面積陰極或大面積陰極靶臺接電源負極，點狀陽極和大面積陰極或大面積陰極靶臺之間，形成一個對電子進行聚焦的電場，點狀陽極和大面積陰極或大面積陰極靶臺間的電壓大于起輝電壓時，發(fā)生氣體的輝光放電，利用對電子進行聚焦的電場將離化和注入或者注入且沉積工作室里面的氣氛離化，進行聚焦增強輝光等離子體氣體放電，在離化和注入或者注入且沉積工作室內形成增強了的自輝光等離子體，在點狀陽極和靶臺間電場的作用下，離子被加速注入或者注入且沉積到工件表面，形成對工件的表面改性。由于電子向點狀陽極如空心陽極聚集，提高了粒子的離化率，因此可以不需要其他離化措施，但是，可以同時采用如射頻等輔助離化措施。
在點狀陽極如空心陽極和靶臺之間施加的電壓可以根據(jù)真空度的不同而不同，但是必須大于起輝的臨界電壓，電壓范圍可以在0.5kV-100kV。
中性原子到達工件沉積到表面，也參與工件的表面改性過程。
本發(fā)明因為采用了小面積陽極如空心陽極輝光放電結構，而且采用了陽極電子聚焦的方法對蒸發(fā)的蒸汽元素或導入的其他汽態(tài)、氣態(tài)元素進行電離，從而大大提高了汽態(tài)或者氣態(tài)元素的離化率，不需要輔助的等離子體激發(fā)裝置就可以直接通過工件的負偏壓進行離子注入或者注入且沉積，而且，注入劑量大，效率高。
因此，本發(fā)明具有以下優(yōu)點方法簡單，只需要注入電源，不需要輔助等離子體激發(fā)裝置，成本低。采用聚焦電子增大了自輝光等離子體的放電，提高了離化率，因此，注入劑量高，效率高。


圖1固態(tài)物質使用本發(fā)明方法的實例示意2汽態(tài)或者氣態(tài)物質使用本發(fā)明方法的實例示意圖具體實施方式
以下結合附圖和本發(fā)明方法的內容提供實施例，對本發(fā)明作進一步的理解。
圖1給出了利用本方法對低熔點、高蒸汽壓的固態(tài)物質元素的注入或者注入且沉積的實施示意圖。
首先，對系統(tǒng)進行抽真空，既可以采用圖1所示通過排氣孔1提供背底真空和維持工作氣壓，也可以由連接到離化和注入或者注入且沉積工作室2上的各種公知真空系統(tǒng)(圖中未給出)提供背底真空，和保障工作氣壓。也可以采用其他公知手段如將離化和注入或者注入且沉積工作室直接放置在一個大的真空環(huán)境中(圖中未給出)，提供背底真空和保障工作氣壓。
對于要注入或者注入且沉積用的元素或者元素中的一種是來源于特定固態(tài)物質3時，首先需要對特定固態(tài)物質3蒸發(fā)、汽化，獲得注入或者注入且沉積用粒子4。蒸發(fā)可以在各種公知的蒸發(fā)源5中進行。蒸發(fā)出來的注入或者注入且沉積用粒子4可以在承載用氣體物質6的承載情況下載入，承載用氣體物質6可以是參與注入或者注入且沉積的物質，也可以是不參與注入或者注入且沉積的惰性氣體，或者是混合氣體。承載用氣體物質6的采用，一方面可以調節(jié)注入或者注入且沉積用粒子4的運輸，一方面可以調控注入或者注入且沉積用粒子4濃度，第三，承載用氣體物質6還可以為注入或者注入且沉積用粒子4的離化，提供一個自輝光等離子體形成所需要的氣壓，從而為離化、注入或者注入且沉積的順利進行提供保障。
對于在工作溫度下，本身即為汽態(tài)或者氣態(tài)的注入或者注入且沉積用粒子4，可以不用象固態(tài)物質那樣需要蒸發(fā)，而是可以如圖2所示，經(jīng)由一個載入管道7直接載入，對于氣態(tài)或者汽態(tài)物質的載入，也可以采用其他氣體物質作為載氣與之混合后載入(圖中未給出)，這時，加入其它承載用氣體物質的主要作用是稀釋注入或者注入且沉積用氣態(tài)或者汽態(tài)物質中的粒子4，使得注入可以按照要求劑量如低劑量進行。
另外，承載用氣體物質6的導入也可以用來為注入或者注入且沉積用粒子的離化提供一個合適的自輝光等離子體形成氣壓，從而保證離化和注入或者注入且沉積的順利進行，也可以本身作為離化和注入或者注入且沉積用的粒子的一部分。
注入或者注入且沉積用粒子4導入到離化和注入或者注入且沉積工作室2之前，可以采用一個流量調節(jié)裝置8，調節(jié)流量。從而進一步控制離化和注入或者注入且沉積工作室2中的氣壓，使得離化和注入或者注入且沉積工作室2中的氣壓能夠滿足起輝的條件，形成自輝光等離子體，進而為注入或者注入且沉積提供保障。
為了進一步保障自輝光等離子體氣體放電過程的順利進行，也可以設置額外的帶有公知的流量調節(jié)設施的公知的氣體饋送設備(圖中未給出)，直接接到離化和注入或者注入且沉積工作室2，以進一步控制其中的氣壓。
對于要注入或者注入且沉積用的元素或者元素中多種都是固態(tài)物質時，每種固態(tài)物質的提供均可以采用上述方法。
注入或者注入且沉積用粒子4被運送到離化和注入或者注入且沉積工作室2前的饋送過程中，尤其是對于蒸發(fā)出來的固態(tài)元素的蒸汽粒子，傳輸用的饋送管路系統(tǒng)9采用絕熱或者將饋送管路系統(tǒng)9加熱，以保證粒子被饋送進入離化和注入或者注入且沉積工作室2，防止蒸發(fā)出來的粒子凝固到饋送管路系統(tǒng)9上堵塞。對于在工作溫度下本身是氣態(tài)或者汽態(tài)的粒子，饋送系統(tǒng)可以不采用絕熱或者加熱措施。
注入或者注入且沉積用粒子4被運送到離化和注入或者注入且沉積工作室2時，首先經(jīng)過點狀陽極10如空心陽極。離化和注入或者注入且沉積工作室2的結構應包括至少一個點狀陽極10和至少一個大面積陰極或大面積陰極靶臺11。點狀陽極接主電源(圖中未給出)的正極性端，大面積陰極或大面積陰極靶臺11接負極性端(圖中未給出)，這樣，在點狀陽極10和大面積陰極或大面積陰極靶臺11之間，形成一個具有電子向陽極聚焦作用的電場，在隨后的氣體放電的過程中，等離子體中的電子，以及由于注入而產生的二次電子，在該聚焦電場的作用下，電子向點狀陽極附近聚集，在點狀陽極附近形成一個電子聚集區(qū)域12。該處將正常氣體放電中的陽極位降區(qū)的電壓降值提高，進一步加大電子在該處的能量。注入或者注入且沉積用粒子4從點狀陽極10如空心陽極附近進入離化和注入或者注入且沉積工作室2時，首先要穿過該電子聚集區(qū)域12，粒子被電子聚集區(qū)的電子離化，從而使得粒子的離化具有比普通氣體放電高的離化率，形成高離化率等離子體。
在此過程中，也可以采用其他輔助的離化措施，如射頻激發(fā)、燈絲放電等，進行氣體的輔助離化。
工件放置在大面積陰極或大面積陰極靶臺11上，等離子體中的離子在電場的作用下，飛向陰極，注入或者注入且沉積到工件的表面。離化和注入或者注入且沉積工作室中的原子，也可以運動到工件表面上被吸附，進而沉積到工件表面，從而完成整個注入或者注入且沉積表面改性的過程。
該方法采用點狀陽極，利用電場對電子的聚焦作用，提供注入或者注入且沉積所需要的離子。對引入真空工作室的粒子的離化是采用高壓本身所產生的異常輝光放電來離化。因此該方法有別于美國Corad教授提出的由外加等離子體源作為注入離子生成模式的等離子基離子注入?？朔爽F(xiàn)有技術中不能對硫、磷等低電導率的固體材料以及一些低熔點或高蒸汽壓的導電材料如鈉、鈣等元素進行有效等離子體化并進行注入的缺點。
權利要求
1.一種離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，其特征在于，首先，完成對系統(tǒng)的預先抽真空，獲得氣態(tài)或者汽態(tài)的注入或者注入且沉積用的粒子，然后利用饋送管路系統(tǒng)，將注入或者注入且沉積用粒子的離化和注入或者注入且沉積，導入到一個離化和注入或者注入且沉積工作室的點狀陽極，在離化和注入或者注入且沉積工作室中，點狀陽極接電源的正極和大面積陰極或大面積陰極靶臺接電源負極，兩者之間構成帶有電子聚焦作用的電場，當電壓大于起輝電壓時，陽極和陰極之間產生輝光放電，工件附近的等離子體中的離子被加速，電子被驅離，形成等離子體鞘層，離子通過鞘層后被加速，注入到工件內部或者沉積到工件表面，完成離子注入或者注入且沉積的材料表面改性過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，其特征是，所述的獲得氣態(tài)或者汽態(tài)的注入或者注入且沉積用的粒子是指當注入或者注入且沉積用元素中，至少有一種是固態(tài)物質時，首先要獲得該固態(tài)物質的汽化粒子，然后再采用帶有絕熱或者有額外加熱的饋送管路系統(tǒng)，將粒子導入到離化和注入或者注入且沉積工作室；對于在工作溫度本身即為汽態(tài)或者氣態(tài)的注入或者注入且沉積用元素，通過流量控制直接導入，注入或者注入且沉積用粒子導入過程中，或者采用惰性氣體作為載氣，同注入或者注入且沉積用粒子一起供給給離化和注入或者注入且沉積工作室，從而幫助注入或者注入且沉積用粒子的饋送，并提供離化所需要的氣壓，調節(jié)注入劑量。
3.根據(jù)權利要求1所述的離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，其特征是，所述的注入或者注入且沉積用粒子的離化和注入或者注入且沉積是指在導入注入或者注入且沉積用粒子后，注入或者注入且沉積用粒子的離化、注入、注入且沉積在離化和注入或者注入且沉積工作室中進行，離化和注入或者注入且沉積工作室是一個至少包括一個小面積的點狀陽極和至少一個大面積陰極或大面積陰極靶臺如工作靶臺的腔體構成，小面積點狀陽極接電源的正極并能接地，大面積陰極或大面積陰極靶臺接電源負極，點狀陽極和大面積陰極或大面積陰極靶臺之間，形成一個對電子進行聚焦的電場，點狀陽極和大面積陰極或大面積陰極靶臺間的電壓大于起輝電壓時，發(fā)生氣體的輝光放電，利用對電子進行聚焦的電場將離化和注入或者注入且沉積工作室里面的氣氛離化，進行聚焦增強輝光等離子體氣體放電，在離化和注入或者注入且沉積工作室內形成增強了的自輝光等離子體，在點狀陽極和靶臺間電場的作用下，離子被加速注入或者注入且沉積到工件表面，形成對工件的表面改性。
4.根據(jù)權利要求3所述的離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，其特征是，所述的氣氛，其依靠點狀陽極和大面積陰極或大面積陰極靶臺間的聚焦電場離化，或者同時采用輔助離化手段。
5.根據(jù)權利要求1或者3所述的離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法，其特征是，所述的電壓大于起輝電壓是指，電壓范圍在0.5kV-100kV。
全文摘要
一種離子注入或者注入且沉積的材料表面改性方法。用于材料表面改性領域。首先，完成對系統(tǒng)的預先抽真空，獲得氣態(tài)或者汽態(tài)的注入或者注入且沉積用的粒子，然后利用饋送管路系統(tǒng)，將注入或者注入且沉積用粒子的離化和注入或者注入且沉積，導入到一個離化和注入或者注入且沉積工作室的點狀陽極，在離化和注入或者注入且沉積工作室中，點狀陽極接電源的正極和大面積陰極或大面積陰極靶臺接電源負極，兩者之間構成帶有電子聚焦作用的電場，當電壓大于起輝電壓時，陽極和陰極之間產生輝光放電，工件附近等離子體中離子被加速，電子被驅離，形成等離子體鞘層，離子通過鞘層后被加速，注入到工件內部或者沉積到工件表面，完成材料表面改性過程。
文檔編號C23C8/36GK1570200SQ20041001829
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權日2004年5月13日
發(fā)明者李劉合, 蔡珣, 朱劍豪 申請人:上海交通大學