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離子注入技�
閱讀�56036時間�2011-09-09 11:40:55

  離子注入技術是把某種元素的原子電離成離�,并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加�,在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技�。材料經離子注入�,其表面的物理、化學及機械性能會發(fā)生顯著的變化,金屬表層所產生的持�(xù)耐磨損能力可以達到初始注入深度的2�3個數(shù)量級�

原理

離子注入技術原理圖

 

    離子注入是將離子源產生的離子經加速后高速射向材料表�,當離子進入表面,將與固體中的原子碰�,將其擠進內�,并在其射程前后和側面激�(fā)出一個尾�。這些撞離原子再與其它原子碰撞,后者再繼續(xù)下去,大約在10-11s�,材料中將建立一個有�(shù)百個間隙原子和空位的區(qū)域(如圖1所示)。這所謂碰撞級�(lián)雖然不能完全理解為一個熱過程,但經常看成是一個熱能很集中的峰。一個帶�100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之�,可進入到數(shù)百到�(shù)千原子層。當材料回復到平�,大多數(shù)原子回到正常的點陣位�,而留下一些“凍結”的空位和間隙原�。這一過程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表層。離子和損傷的分布大體為高斯分布�

  整個阻止過程的時間僅用10-11s,位移原子的停留也是在相近時間內完成�,所以全過程很像�(fā)生在長約0.1μm和直徑為0.02μm 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱-淬火與新原子注入材料中相結合,其結果可產生一些獨特的性能�

  離子注入的深度是離子能量和質量以及基體原子質量的函數(shù)。能量愈�,注入愈深。一般情況下,離子越輕活基體原子越輕,注入越��

  一旦到達表面,離子本身就被中和,并成為材料的整體部分,所以注入層不會像常�(guī)那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子,或者彼此之�,甚至與真空室內的殘余氣體化合生成常�(guī)合金或化合物�

  由于注入時高能離子束提供反應后的驅動�,故有可能在注入材料中形成常�(guī)熱力學方式不能獲得的亞穩(wěn)�(tài)或“非平衡�(tài)”化合物這就可能使一種元素的添加量遠遠超過正常熱溶解的數(shù)��

  用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去,離子束與材料中的原子或分子將�(fā)生一系列物理的和化學的相互作�,入射離子逐漸損失能量,停留在材料�,并引起材料表面成分、結構和性能�(fā)生變�,從而優(yōu)化材料表面性能,或獲得某些新的�(yōu)異性能�

  離子注入技術是把某種元素的原子電離成離�,并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加�,在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術。材料經離子注入�,其表面的物�、化學及機械性能會發(fā)生顯著的變化�

特點

 ?�?)離子注入是一個非平衡過程,注入元素不受擴散系�(shù)、固溶度和平衡相圖的限制,理論上可將任何元素注入到任何基體材料中去�

 ?�?)注入層與基體之間沒有界面,系冶金結合,改性層和基體之間結合強度高、附著性好�

  �3)高能離子的強行射入工件表面,導致大量間隙原子、空位和位錯產生,故使表面強化,疲勞壽命提高�

 ?�?)離子注入是在高真空和較低的工藝溫度下進行,因此工件不產生氧化脫碳�(xiàn)象,也沒有明顯的尺寸變化,故適宜工件的表面處��

�(yōu)�

  �1)它是一種純凈的無公害的表面處理技��

 ?�?)無需熱激�,無需在高溫環(huán)境下進行,因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度�

 ?�?)離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學相互作用而形成的一個新表面�,它與基體之間不存在剝落問題�

 ?�?)離子注入后無需再進行機械加工和熱處理�

應用

  1、離子注入應用于金屬材料改�

  離子注入應用于金屬材料改�,是在經過熱處理或表面鍍膜工藝的金屬材料�,注入一定劑量和能量的離子到金屬材料表面,改變材料表層的化學成份、物理結構和相態(tài),從而改變材料的力學性能、化學性能和物理性能。具體地說,離子注入能改變材料的聲學、光學和超導性能,提高材料的工作硬度、耐磨損�、抗腐蝕性和抗氧化�,最終延長材料工作壽��

  2、離子注入機應用于摻雜工�

  在半導體工藝技術中,離子注入具有高精度的劑量均勻性和重復�,可以獲得理想的摻雜濃度和集成度,使電路的集�、速度、成品率和壽命大為提�,成本及功耗降�。這一點不同于化學氣相淀積,化學氣相淀積要想獲得理想的參數(shù),如膜厚和密�,需要調整設備設定參�(shù),如溫度和氣流速率,是一個復雜過�。上個世紀70年代要處理簡單一個的n型金屬氧化物半導體可能只需6�8次注入,而現(xiàn)代嵌入記憶功能的CMOS集成電路可能需要注入達35��

  技術應用需要劑量和能量跨越幾個等�,多�(shù)注入情況為:每個盒子的邊界接近,個別工藝因設計差異有所變化。隨著能量降�,離子劑量通常也會下降。具備經濟產出的離子注入劑量�1016/cm2,相當于20個原子層�

  3、在SOI技術中的應�

  由于SOI技術(Silicon-on-Insulation)在亞微米ULSI低壓低功耗電路和抗輻照電路等方面日益成熟的應�,人們對SOI制備技術進行了廣泛探紀�

  1966年Watanabe和Tooi首先報道通過O+注入形成SILF表面的Si氧化物來進行器件間的絕緣隔離的可能��1978�,NTT報道用這項技術研制出高�、低功耗的CMOS鏈振蕩電路后,這種注O+技術成為眾人注目的新技�。從而注氧隔離技術即SIMOX就成了眾多SOI制備技術中最有前途的大規(guī)模集成電路生產技術�1983年NTT成功運用了SIMOX技術大批生產了COMSBSH集成電路�1986年NTT還研制了抗輻射器�。這一�,使得NTT�(lián)合EATON公司共同開發(fā)了強流氧離子注入機(束流�100mA�,之后EATON公司生產了一系列NV�200超強流氧離子注入機,后來Ibis公司也研制了Ibis�1000超強流氧離子注入。從此SIMOX技術進入了大�(guī)模生產年代。到了上世紀90年代后期,人們在對SIMOX材料的廣泛應用進行研究的同時,也發(fā)�(xiàn)了注氧形成的SOI材料存在一些難以克服的缺點,如硅島、缺�,頂部硅層和氧化層的厚度不均勻等,從而導致了人們開始著眼于注氫和硅片鍵合技術相結合的智能剝離技術即SMART CUT技術的研制,上世紀90年代末期,H+離子注入成了新的熱門話題。目前雖無專門的H+離子注入機,但隨著SMART CUT工藝日趨成熟,不久將會出�(xiàn)專門的H+離子注入機�

  除了半導體生產行�(yè)�,在工控自動化的快速發(fā)展下,離子注入技術也廣泛應用于金�、陶瓷、玻�、復合物、聚合物、礦物以及植物種子改良上�

未來展望

  等離子注入技術盡管克服了傳統(tǒng)離子注入技術的直射性問�,但離子注入工藝方法所固有的注入層淺的問題始終存在,這電限制了它在工�(yè)中的廠泛使用。因此,欲獲得較厚的改性層,等離子體基離子注入技術必須與其他鍍膜技術如PVD、CVD方法相結�,即復合的注入與沉積技�。復合鍍膜技術是目前國內外的重要�(fā)展趨�,不少鋰電池生產商都在關�。這種復合鍍膜技術既可在同一個真空腔體內進行,也可以在不同真空系�(tǒng)中進行;注入與沉積既可同時進行也可以順序進行�

  另外,為了實�(xiàn)等離子注入工藝進一步實用化,注入設備需不斷改�,以適應不同用途的等離子注入工藝的需求,并且朝著多元�、大電流、高電壓、高�、大體積和多功能的方向發(fā)��

面臨的挑�(zhàn)

 ?�?)形成低泄漏淺結�

  �2)以低成本使用MeV注入替代外延,利用低能硼離子束注入技術獲得高質量淺p型結進行注入的分子動�(tài)研究�

  獲得高質量的淺p型結的技術由Kyoto大學離子束工程實驗室完成。采用硼化氫的簇離子注入技術形成淺�。小的硼束流和單體注入進行分子動態(tài)模擬。在階段,通過B10簇形成損害可望避免附加B原子瞬態(tài)提高擴散,獲得高質量淺p型結�

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