离子束用于表面涂层制备

随着现代工业和科学技术的发展，表面涂层技术已经成为发展最迅速、应用最广泛和经济效益十分显著的一种表面技术。

表面涂层技术有哪些种类？

表面涂层技术的种类繁多，大体上可以分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。其它的表面涂层技术是这两大类的派生或这两大类的渗透和发展。

化学气相沉积是 19 世纪末开始发展起来的，到了本世纪 50 年代，德国首先用化学气相沉积碳化钛（TiC）硬质薄膜获得成功，标志着这项技术进入实用化阶段。随后一批用化学气相沉积生产的 TiC、TiN、Al2O3 硬质表面涂层相继在工业上得到了广泛的应用。日本 80 年代在国际上首先用化学气相沉积生成金刚石薄膜很有发展前途：硬度高可用作耐磨表面涂层；高导热性和高绝缘性可作为超大规模集成电路的基底材料；掺杂后具有半导体性质，是难得的高温半导体。但是，化学气相沉积一般必须在 900 摄氏度～1000 摄氏度的高温下进行，使它的应用受到一定的限制。物理气相沉积又有真空镀膜、离子溅射沉积和离子镀三种基本形式。

真空镀膜是在 10-5～10-6 乇真空条件下，用电子束等加热材料使之蒸发成为气相的原子或分子沉积到工件的表面，生成一个新的沉积层。真空镀膜的不足之处是沉积的表面涂层与基体材料的结合力比较差，而且对一些难熔金属的气相沉积也有一定的难度。

离子镀是在真空镀膜的基础上再加上等离子体激活，即在工件上加上 1 千伏～5 千伏的负电压，通入工作气体（常用氩气），真空室内的压强由 10-3～ 10-6 乇上升到 2×10-1～5×10-2 乇。在电场作用下，工作气体被电离，产生辉光放电，在工件周围形成一个等离子体区，气相沉积的粒子经过等离子区时，也会被电离成离子，在负电压的作用下加速飞向工件表面，形成表面涂层。

离子溅射沉积是以氩气为工作气体，真空室的压强保持在 10-1～10-2 乇在靶上加几百到几千伏的负电压，在电场的作用下，工作气体电离成为离子并轰击靶材料，利用溅射效应将靶材料的原子或分子溅射到工件表面上，从而形成表面涂层。

为什么离子镀和离子溅射沉积的效果好？

在离子镀和离子溅射沉积这两种方法中都利用了离子束的作用。这可以得到两方面的好处，一方面，在沉积之前，先用工作气体离子轰击（在电场作用下）工件表面，可以清除表面的有害化合物和表面缺陷，另一方面，涂层元素以离子形式在电场作用下以更大的速度向工件表面沉积，这些都有利于改善表面涂层和工件表面的结合性能。这就是为什么离子镀和离子溅射沉积的表面涂层效果明显好于真空镀膜的缘故。

离子镀和离子溅射沉积的新发展及其应用

近十多年来，表面涂层技术在离子镀和离子溅射沉积的基础上向两个方向发展。

在离子镀和离子溅射沉积中引入化学过程，这就是在工作气体中掺入适当的反应气体 2、N2、CH4 等，经过等离子体的激活电离后成为活泼的氧离子、氮离子、碳离子等，和用来沉积的金属离子起化学反应后生成化合物

（如 Al2O3、TiN、TiC 等）沉积层。

另一个发展方向就是磁控离子溅射和离子束溅射，用以提高沉积速度和表面涂层纯度。磁控离子溅射是在溅射靶附近安装一个垂直于电场的磁场，用以提高溅射靶附近的等离子体密度，从而提高沉积速度。离子束溅射沉积是用经过聚焦的离子束直接打到溅射靶上，使靶材料元素发生溅射而沉积到工件的表面。整个过程是在 10-5～10-6 乇的真空度下进行。以上两点都有利于减少表面涂层的杂质。因为上面几种溅射沉积方法有可能将一些靶材料以外的杂质也一起沉积到表面涂层中去，而且工作真空度也比离子束溅射沉积低 2～3 个数量级，因此离子束溅射沉积可以最大限度地减少杂质进入表面涂层的可能性。

将离子注入引入表面涂层

用上面的各种方法制备的表面涂层，即使加了离子束的激发和加速，但是终因能量还不够高，表面涂层和基体材料之间还是有明显的界限，基本上没有过渡层，其结合力虽然通过一些方法得到了改善，但终究还是有限的，涂层的剥落仍是一个主要的缺点。为了继续改善表面涂层的结合力问题，人们将离子注入引入表面涂层的过程。用于离子注入的离子束具有高得多的能量，其射程可以穿过表面涂层，引起涂层原子和基体材料原子之间的相互渗透和相互混合，这就是所谓的离子束混合过程。这样就在界面区形成了一个过渡层，大大增强了表面涂层与基体材料之间的结合力。有人把这个过程比喻为“离子束缝合”，离子束好像针线一样，把表面涂层和基体材料牢牢地“缝合”在一起。

于是有人提出把表面涂层技术和离子注入技术合二而一，即在离子束溅射沉积的基础上，又加进一个能量更高的离子束，成为双离子束沉积技术：一个能量为几个千电子伏的离子束用于溅射沉积，另一个能量为 10 千电子

伏～ 100 千电子伏的离子束用于离子注入。既可以表面涂层沉积和离子注入同时进行，也可以先进行表面涂层沉积再进行离子注入。根据不同的目的，离子注入的离子，既可以是惰性气体，也可以是反应元素（如硼、碳、氮等）的离子。日本科学家在 80 年代中期用真空镀膜加氮离子注入的方法制成立方

氮化硼薄膜，显微硬度达到 2000 以上。我国北京师范大学的科技人员用双离

子束沉积技术在 80 年代后期成功地合成了立方氮化硼薄膜，显微硬度达到

4000 以上。这种薄膜用常规的物理气相沉积方法是很难获得的。