等离子体基离子注入技术的工作模式优化

PBII体系的一个极大的优点是可以在一个真空室内实现多种表面处理工艺，为几乎所有的等离子体基处理添加高能离子轰击过程，包括等离子体渗氮、等离子体增强PVD或CVD。高能离子的轰击作用造成的界面混合，增强了改性层与基体间的结合力。因此，PBII技术可作为增强膜基结合力的处理过程加以应用，并能和其他沉积技术结合产生许多全新的表面处理过程。这一特点拓宽了PBII技术的应用领域并提高了效率。研究结果表明，可以应用PBII制备较厚的表面改性层，梯度界面层、多层膜等性质优良、结合力好的改性层。

目前，PBII技术可以按如下模式运行：

1）气相元素的等离子体基离子注入。运用PBII进行气体离子的注入（如N、C等），以改善金属材料表面特性。对不锈钢表面注入N可以提高表面的硬度和耐磨损性能，注C可以降低摩擦因数，改善基体的摩擦学特性。尤其可贵的是，这一过程可以使不锈钢的表面变硬但又不损失其耐蚀性，极大地扩展了不锈钢的应用领域。对高速钢和轴承钢离子注入N也使其表面性能提高，并延长使用寿命。Al表面致密的氧化物阻碍了N的扩散，传统的渗氮方法不能生成厚度超过1～3μm的AlN层。应用PBII可以实现Al合金的渗氮过程，使其表面硬度和耐磨损性能显著提高，而且生成的AlN改性层可以作为后续沉积硬质膜（如CrN）的支撑层。Ti及其合金经PBII处理后，表面形成了TiN，增加了表面的硬度，使基体的摩擦磨损性能得到提高。

2）金属元素的等离子体基离子注入。金属PBII是PBII技术的延伸，它利用金属等离子体的稠密特性和金属原子大的碰撞截面，同时采用稳态的气体等离子体和脉冲金属等离子体，将离子注入和薄膜沉积结合在一起。金属等离子体源可以是溅射沉积和离子镀中的任何一种，也可以以蒸气的形式提供，或直接通入含有金属元素的气体，这些物质在等离子体基离子注入的真空室内被进一步离化形成金属等离子体。在金属PRII技术中，注入和沉积交替进行，同时具有直接注入和反冲注入的特性，从而形成结合力优良的界面混合层，产生性质不同的表面改性结果。在金属PBII过程中，用阴极弧或磁控靶在真空室内激发金属等离子体，在每一电压脉冲的开始施加、延续和下降的阶段，金属离子在工件表面产生轰击溅射和注入效应，而当脉冲电压为零阶段时则发生金属的沉积。若沉积速率大于溅射和离子注入混合效应，则除了产生注入层外还会产生沉积层。在离子注入混合效应的作用下，从沉积层到基体表面成分逐渐变化，形成无界面的膜基结合，完全不同于一般物理气相沉积。与无界面混合的沉积相比，这种结合方式不仅能改善膜与基体的结合力，还可以降低由于膜材料与基体的结构不匹配而造成的应力。研究表明，该工艺可以在三维基体表面形成均匀分布的TiN涂层。

3）超硬非晶碳膜的合成。等离子体基离子注入碳时，尽管采用碳氢化合物气体作为碳源，但当其被激发为冷等离子体时会分解为碳原子，出现沉积现象，生成类金刚石碳（DLC）膜。DLC膜具有许多优良的特性，吸引了科研工作者的关注。DLC膜具有高硬度、低摩擦因数的特性，可以增强基体材料的摩擦磨损性能；DLC膜具有化学惰性可以显著提高材料的耐蚀性能；DLC膜具有高电阻性，适于应用在某些电学环境。应用PBII合成DLC膜的优越性在于，可以在基体材料和涂层之间构造一个C浓度梯度界面，极大地释放热应力和内应力，增强了膜与基体间的结合力，解决了DLC膜易剥落的问题。(www.xing528.com)

4）等离子体升温离子注入。在PBII过程中，高电压脉冲的宽度和重复频率可以在较大范围内变化，即可以通过调整试验参数，包括电压、脉宽和脉冲重复频率（即能量沉积率）来调整注入过程中工件所处的温度，从而实现常温、中温和高温注入，以满足材料的性能要求。如果有些工件本身不要求限制其注入温度，则可以利用注入粒子所沉积的能量加热工件，以促进其热扩散，提高注入元素的注入深度，由此产生了升温PBII。

升温PBII的过程实质是将PBII与等离子体化学热处理相结合，从而获得较厚的改性层。应用PBII可以在低于等离子体渗氮温度的条件下，使N的增强扩散区域超出注入的射程深度，增大改性层的厚度。在升温PBII中，N引入基体衬底不仅依赖于N元素在金属表面的热化学吸附，还来源于表面层50～100nm处由注入引入的N元素。在近表面产生的高N浓度区还会驱动后续的N扩散，因此可以在200～450℃的温度内实现“渗氮”，这一特点使其适用于处理不耐高温的合金和组分。

5）等离子体基离子注入混合。PBII对金属的注入可以提高其耐磨损和耐蚀性能，但这种应用受到了离子注入固有的注入深度浅的束缚。研究人员将PBII技术和PVD、CVD等镀膜技术结合起来，使其兼具气相沉积和离子注入的优点，以制备较厚的改性层。离子注入混合的概念是：在基体上沉积一层材料，然后用离子轰击该沉积层，离子的能量足以使注入离子的分布区域超过膜的厚度。离子注入效应使混合注入层与基材之间没有截然分开的界面，比普通物理气相沉积沉积层与基材之间的结合力好得多。该技术的目的是为了在较低的离子剂量下得到比通常高剂量注入技术更高的溶质浓度。

等离子体基离子注入混合延伸了离子辅助沉积的理念（通常离子能量为100～1000eV），在涂层沉积的过程中，使用了具有更高能量的离子进行轰击。沉积和注入过程相结合，可以使改性层随工艺时间的延长而增厚，而不像纯离子注入那样，注入层深度受注入离子能量的限制。采用多周期PBII，可以在多层膜之间和膜与基体之间产生界面混合，增强结合力，获得较厚的沉积层、梯度层以及无界面的多层结构。PBII的脉冲特性使高能离子轰击只占总沉积时间的一小部分，但该过程对于改性层的结构、成分和性能将会产生很大的影响。用该方法可以设计多层膜的结构和成分，有很好的应用前景。