高能束表面处理

1、激光表面处理2、电子束表面处理3、离子注入表面改性1、激光表面处理主要内容：1、激光的特点2、激光表面处理设备3、激光表面处理技术1.1激光简介

激光（Laser）激光体，2.光泵浦能量，3.反射镜，4.输出功率藕合器，5.激光束通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光。

主要特点：1.高单色性2.高方向性3.高相干性4.高亮度1.高单色性受激辐射光（激光）是原子在发生受激辐射时释放出来的光，其具有相同的位相和波长，其频率组成范围非常狭窄，就是受激辐射光单色性非常好。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。激光的单色性是实现激光加工的重要因素。2.高方向性激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度，可以认为光束基本上是平行的。激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度。3.高相干性相干性主要描述光波各个部分的相位关系。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。4.高亮度激光器发射出来的光束非常强，通过聚集集中到一个极小的范围之内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达1014W/cm2，在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。外激发源工作物质（增益介质）谐振腔种类作用种类作用种类作用输出Laser电源：如CO2He-Ne激光器光源:如红宝石YAG激光器(氙灯,氪灯)提供泵浦能量气体、固体、液体、半导体、等离子体、化学物质通过受激辐射产生确定模式的光子（波长、位相相同）两平行反射面组成：光学谐振腔通过选膜：产用同方向，同频率，同位相的激光1.2激光表面处理设备激光器工作原理：激光器的基本构成增益介质光放大器（粒子数反转，粒子数不再遵守Boltzman分布）泵浦源为放大器提供能量（闪光灯、放电、其它激光等）光谐振腔将受激放大的光储存在腔模中（增加放大器等效长度，增加模密度）激光结构：M1反射镜，M2输出耦合镜（反射率R2

决定腔内外强度差）1.2激光表面处理设备激光体，2.光泵浦能量，3.反射镜，4.输出功率藕合器，5.激光束1.2.1激光器的分类按工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、可调谐激光器按波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射线激光器等按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、热能激励激光器等按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激光器等根据工作物质分类

固体激光器：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃气体激光器：He—Ne，CO2，离子激光器液体激光器：染料激光器半导体激光器：同质结，异质结，量子阱主材料：晶体或玻璃晶体：1)金属氧化物Al2O3，氧化钇Y2O3，钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）。2)铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等。铝酸钇YALO3(YAP)、氟磷酸钙Ca(PO4)3F等。3)氟化物晶体：氟化钙CaF2、氟化钡BaF玻璃：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃（有高的机械强度、高的导热特性）掺杂材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+）过渡金属（Cr3+，Ni3+）1.2.2固体激光器固体激光器的特点能量大，峰值功率高结构紧凑、牢固耐用连续输出功率不如气体激光器固体激光器基本结构固体激光工作物质泵浦光源聚光腔谐振腔冷却1960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器（1）红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器梅曼正在演示他的第一只红宝石激光器第一台红宝石激光器原理图利用石英晶体把红宝石激光器发出的红光变成蓝光

红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体（重量比为0.03%～0.07%)，吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，各向异性晶体，具有双折射。红宝石中铬离子的吸收光谱U带：360~450nm

（峰410nm）Y带：510~600nm

（峰550nm）

入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。发光机理

红宝石中铬离子的三能级结构发射谱辐射波长：R1线：694.3n（强）R2线：692.9n（弱）2E能级分解成二个能级：2A、E，△E=29cm-1

上的粒子数占47%，上的粒子数占53%，而且与之间存在快速弛豫，所以R1线比R2线优先振荡。R1线一旦振荡，上的粒子及时补充到上，因此不形成R2线振荡输出。激光振荡时只有694.3nm的激光输出。（1）三能级系统，阈值泵浦能量高，以脉冲方式运转（6）调Q巨脉冲：峰值功率几十MW，脉宽几十ns。（2）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温度增加10度，波长变化0.07nm。（3）荧光线宽较大，有100多个纵模振荡，单色性差。（4）激光上能级寿命长（3ms），有利于储能，输出能量大。（5）激光器输出红光，适合应用需要。输出特性红宝石激光器特性脉冲光源泵浦波长：694.3nm脉冲宽度：~1ms脉冲能量：100J脉冲频率：几Hz电光效率：0.1%~1%红宝石激光器的缺点：需要高能量的泵浦光源较低的效率冷却困难，使输出脉冲频率不能太高目前红宝石激光器主要被YAG激光器所替代（2）钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）

将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成。Nd2O3的重量比为0.725%（掺入约1%原子百分比的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，亚稳态寿命230微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。YAG激光器的泵浦灯和激光棒结构示意图（中心波长810nm和750nm，带宽30nm）（亚稳态）无辐射跃迁（很快）四能级四能级三能级E2E2发光机理4I11/24I13/24I9/2E3基态：4I9/2泵浦（亚稳态）无辐射跃迁（很快）1064nm四能级1350nm四能级三能级946nmE2E24I11/24I13/2E1E4Nd-YAG激光器的特性连续或脉冲工作方式脉冲频率：10-100Hz连续功率输出：10-100w脉冲输出功率：50mJ—10J波长:1.06um，采用非线性晶体倍频，可实现二倍频：532nm

三倍频：355nm

四倍频：266nm基质：硅酸盐或磷酸盐玻璃

掺杂：Nd2O3，浓度3%吸收谱：类似Nd:YAG，但吸收谱更宽。发射谱：0.92μm，1.062μm，1.37μm，荧光线宽大（～30nm），锁模超短脉冲：脉宽优点：大尺寸（直径10cm，长度1m），玻璃各项同性，均匀性好，亚稳态寿命长（600~900μs），储能大。可用于大能量大功率激光器。缺点：导热差，热膨胀系数大，不适于连续或高重复频率工作（3）钕玻璃激光器1.2.3气体激光器原子气体激光器工作物质为未电离的气体原子，如He-Ne激光器分子气体激光器工作物质为未电离的气体分子，如CO2激光器、氮分子激光器离子激光器如氩离子激光器和氦镉离子激光器气体激光器的特点气体激光器的工作物质：气体或蒸汽波长范围：紫外到红外优点：

1.工作物质均匀性好，光束质量好

2.连续输出功率高

3.转换效率高

4.结构简单

5.成本低应用：准直、导向、计量、材料加工、全息术、医学、农业育种、国防等工作物质为二氧化碳，加入氮气、氦气作为辅助气体，以提高输出功率和效率。主要特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作，又能脉冲工作，连续工作输出功率达到几十万瓦，脉冲工作脉宽大ns量级，峰值功率达TW，能量转换效率达20~25%；输出波长分布在9～18m，已观察到上百条谱线，其中10.6m最重要。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。（1）CO2激光器CO2激光器基本结构放电管内径：1-几厘米放电管长：1-几米

CO2气体激光器基本结构有对称振动、形变振动、反对称振动三种形式。发光原理（1）上能级的激发：电子与CO2分子直接碰撞激发；高速电子与N2分子碰撞，N2再与基态的CO2分子发生能量的共振转移。（2）发射激光：上能级的CO2分子向不同的下能级跃迁，产生10.6m和9.6m的激光，存在谱线竞争，但10.6m的跃迁几率大。（3）下能级的弛豫：从激光下能级到基态的辐射跃迁是禁戒的，只能分两步辐射跃迁到基态，但辐射跃迁几率很小。下能级的弛豫主要是靠碰撞跃迁，分两步来实现。下能级的CO2分子与基态CO2分子碰撞回到010能级，然后再与基态He原子碰撞回到基态。He气还有很好的导热性质，可降低混合气体的温度。激发过程(1)放电特性

相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。

(2)温度效应

CO2激光器将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。输出特性分类：有机化合物液体激光器(染料激光器)

无机化合物液体激光器(无机液体激光器)特点：波长可调谐，调谐范围广可产生极短的超短脉冲(10-15s)

可获得窄的谱线宽度(10-5-10-6nm)1.2.4液体激光器染料激光器结构示意图工作物质：半导体材料如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲锡铅(PbSnTe)特点：体积小、效率高、结构简单、成本低应用：光纤通讯、光盘、准直、显示等1.2.5半导体激光器激光器波长（μm）光子能量（eV）功率输出方式模式发散角全角电光转化效率（%）CO210.60.12大，可达几十千瓦连续、脉冲基膜或多模1-315-20YAG1.061.16小，最大几千瓦连续、脉冲多模5-2031.2.6主要工业用激光器1.2.7激光与物质的作用机理激光与物质作用的几个阶段：①激光照射到材料表面；②激光被材料吸收变为热能；③表层材料受热升温；④发生固态转变、熔化甚至蒸发；⑤材料在激光作用后冷却。1.2.7激光与物质的作用机理（1）热作用由于激光光子的吸收而产生的热效应（2）力作用

a.光压：I=－•－，式中，W/S是激光的功率密度，C是光子的速度

b.表面等离子形成的冲击力（3）光作用光化学反应机制：由于吸收光子能量导致的光分解和裂解光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧ＷＳＣ１1.3激光表面处理技术工艺方法功率密度（W/cm2）冷却速度（℃/s）作用区深度（mm）激光淬火104-105104-1050.2-3激光合金化104-106104-1050.2-2激光熔覆104-106104-1060.2-1激光非晶化106-1010106-10100.01-0.1激光冲击硬化109-1012104-1060.02-0.21.3.1激光淬火极快的加热速度和冷却速度

柔性好，易于自动化生产精密节能自淬火也称激光相变强化。是在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热，并在激光停止辐射后快速自冷却使表面硬化的一种工艺方法。45钢表面激光淬火横截面金相组织激光淬火影响因素

影响因素： 基材成分：淬硬性、淬透性 工艺参数：激光参数 表面状态：表面吸收率激光淬火实例齿轮的激光强化，激光热处理可以使齿轮获得比常规热处理高的表面硬度及硬度分布均匀的相变硬化层，从而提高其耐磨、耐蚀、耐冲击和耐疲劳性能，且激光强化过程中工件变形小。柴油机曲轴的激光强化，发动机台架试验证明，激光强化后的曲轴颈平均磨损比普通淬火减少90%，汽车行驶4.5×104~5×104km，曲轴的耐磨性提高1倍以上。曲轴轴颈表面激光强化

激光合金化：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的技术

激光熔覆：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术

两者都是通过添加了其他金属或合金，在工件表面形成了一层具有特种功能（如耐磨性、耐蚀性、耐高温等）的合金层，提高工件性能，延长工件使用寿命。二者技术实质一样，

合金化过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；

熔覆更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率

1.3.2激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）

粉末预置堆焊同步送粉堆焊同轴送粉侧向送粉激光堆焊原理激光熔覆工业应用实例

激光熔覆的应用主要在两方面，即耐腐蚀（包括耐高温腐蚀）和耐磨损。应用的实例如内燃机的阀和阀座的密封面的激光熔覆，水、气和蒸汽分离器的激光熔覆等。激光堆焊实例

激光重熔合金化应用于金属和合金，主要是钢和铸铁，通过添加组元来提高耐热性、耐腐蚀性、耐磨料磨损和耐侵蚀磨损性。激光熔化合金化主要用于基材与氮、碳和氧的合金化。基材包括低碳钢、铝及其合金、钛和钛合金等。铝合金激光表面合金化的一些研究结果轴类零件表面激光熔覆

冶金轧辊激光合金化激光非晶化:是利用激光快速加热和快速冷却的特点加热材料表面使其熔化，并以大于一定临界冷却速度急冷至低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶材料的技术。其原理是基于被激光加热的金属表面熔化后，以大于临界冷却速度急冷，来抑制晶体的成核和生长，从而在金属表面获得非晶态结构。与急冷法制得的非晶态合金相比，激光法制取的非晶态合金优点：冷却速度高；激光非晶态处理还可减少表层成分偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹。1.3.3激光非晶化

激光冲击硬化：激光冲击硬化主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应——强应力波来改善材料的性能。激光使材料表面薄层迅速汽化，产生冲击波。冲击波产生的压力幅值大约为105大气压，它足以使金属产生强烈的塑性变形，其结构类似于经爆炸冲击及快速平面冲击的材料中的亚结构。采用激光冲击硬化，可强化焊缝热影响区的金属，还可以阻止或延缓材料内部裂纹的产生及扩展。1.3.4激光冲击硬化激光冲击硬化示意图2、电子束表面处理主要内容：1、电子束表面处理的主要特点2、电子束表面处理工艺3、电子束表面处理设备4、电子束表面处理应用电子束是一束集中的高速电子。特点：它的速度取决于加速电压的高低，可达到光速的2/3左右。具有高的功率和功率密度的电子束撞击材料表面，可使能量沉积在材料的亚表层区域，并可形成亚稳金属合金。可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。2.1电子束简介电子束表面处理原理：高速运动的电子具有波的性质，当高速电子束照射到金属表面时，入射电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。由于入射电子与原子核的质量差别极大，和原子核的碰撞可以看作是弹性碰撞。因此，能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热能的形式传给金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高，使表层成分和组织结构发生变化，达到表面改性的效果。（1）电子束的加热和冷却速度快。将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达106～108℃/s。（2）电子束表面处理设备整体结构相对简单。电子束靠磁偏转进行移动、扫描，而不需要工件转动、移动和类似于激光的光传输机构。（3）电子束与金属表面偶合性好。电子束入射金属材料表面的时候，除入射角3°～4°的特小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率可达到90%以上。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层。（4）电子束能量的控制比较方便。通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制，根据工艺要求，很容易实现计算机控制。2.2电子束表面处理特点（5）电子束加热时能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。材料表面的熔化层至少几个微米厚，这会影响冷却阶段固-液相界面的推进速度。（6）电子束加热的液相温度相对于激光加热偏低，因而温度梯度较小。（7）电子束是在真空中工作的，以保证在处理中工件表面不被氧化，并得到纯净的表面处理层。但由此也带来许多不便，例如工件尺寸受真空室的限制，尤其是对大批量流水线生产来说更是无法接受。因此，目前电子束淬火、电子束合金化及电子束熔覆技术只在一些很小的工业领域中得到应用。（8）当使用电压超过150kW时，电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护。2.2.1电子束与激光束的比较电子束表面改性电子束表面精细化电子束预涂气体合金化电子束表面非晶化电子束预涂敷层合金化固态相变电子束表面淬火电子束表面合金化电子束表面熔覆电子束表面熔凝液态相变不同材料电子束处理的技术分类2.3电子束表面处理工艺

相变硬化是最早采用的电子束表面处理的方法，电子束以很高的速度轰击金属表面，电子与金属材料中的原子相碰撞，给原子以能量，使金属表面温度迅速升高。当材料被加热到奥氏体点以上、熔点以下时，采用自身淬火冷却，达到表面硬化层。由于自身冷却的冷速可以超过105K/s，获得的表面硬化层的硬度比感应加热、火焰加热等高出几个HRC单位，组织也更为细化。

2.3.1电子束表面相变强化图中采用两个方向的电子束扫描，并且对电子束的束斑和功率密度也进行了改变，在加热的初始阶段，采用大功率密度，小束斑直径，以获得高功率密度的加热；在加热后期，采用小功率密度，大束斑直径，减少功率，获得一定深度范围内较高的温度的加热层，提高淬硬层深度。电子束表面淬火（HE）和常规淬火（H）的硬度对比图为几种钢材经电子束加热表面淬火和常规淬火得到的硬度的对比，可见硬度值提高3～4个HRC。电子束淬火的表面的组织结构为表层的硬化层和硬化层与心部之间的回火区域。将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金属表面上，然后用电子束加热熔化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一层很薄的具有良好性能的合金表面层，从而使金属表面能获得很好的耐磨、耐腐蚀及耐热的性能。用电子束快速加热进行表面合金化处理，尽管时间很短，但仍完成了液体金属的混合和合金元素的扩散并重新分布的过程，从而获得了满意的表面合金化结构与硬度。合金化可分为两种，即重熔和熔合。2.3.2电子束表面合金化将金属表层和涂层重熔至一定深度,利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配合。对某些合金，电子束重熔可使各组成相间的化学元素重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。重熔（电子束预涂敷层合金化）熔合（电子束预涂气体合金化）

将合金物质的固态颗粒注入、或气状微粒吹入基体材料的熔池。与重熔类似，合金物质全部或部分溶于基体材料，同时两种材料发生混合。其中的固态颗粒可以是碳化物或其他化合物，而气态微粒可以是氮（氮的气体合金化）、一氧化碳或乙炔（可与碳合金化）。随着合金物质和表层的熔合，两种材料发生了混合，生成的合金化的材料部分或完全溶于基体材料。混合物凝固后，就得到了不同于基体材料的结构和化学特性层。该混合物就是两种材料的合金。

电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似，只是所用的热源不同而已。利用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特点，可在表面的下层受热最小的情况下，使材料的表面熔化形成小液池，这样便能获得极快的冷却速度。如在表层熔化0.025mm深度时，可得106℃/s的冷却速度。由于快速凝固细化显微组织，可获得致密性极好的非晶态层，这种非晶态组织具有很高抗腐蚀与抗疲劳的性能。2.3.3电子束表面非晶化

熔覆包括两种工艺方法，其一是把重熔的涂层材料沉积在基体表面上，其二是采用机械送丝或把涂层材料的粉末注入电子束位于金属工件的斑点。从概念上讲，熔覆是一种与焊接中的搭接和喷熔相似的工艺，只不过加热的能源变成电子束而已。该工艺常用于制造绝热、耐腐蚀及耐磨损的涂层（如液压件），还可用于修复损坏的机械零件（如涡轮机的工作面）等。2.3.4电子束表面熔覆

高速电子由电子枪发射，在加速电压的作用下，速度高达光速的2/3。目前电子束加速电压150KV，输出功率为150KW，这些参数是激光器无法比拟的。电子束热处理装置由七部分组成，即电子枪、高压油箱、聚焦系统、扫描系统、真空工件室、真空系统和监控系统。2.4电子束表面处理设备电子计算机控制的电子束表面处理装置下图为电子枪结构示意图，电子枪由加热灯丝（电子发射源）、阴极、阳极（电子加速）、聚束极（电子束收束）、偏转系统（电子束偏转）、电磁透镜和合轴系统等组成。

从当前电子束表面热改性技术的应用现状来看，基本上仍是以钢和铸铁的电子束淬火为主。电子束表面淬火的工件主要有：Ｖ型零件，如滑槽的凸缘，导轨的轨道底板，机床紧固装置上的导向平面和台板等；周边要进行淬硬的旋转对称部件，例如套筒、转动轴、心轴等；锥形外表面或内表面要淬硬的旋转对称部件，例如阀门、锥齿轮等。几何形状和外观规则或不规则的特殊零件，如凸轮盘、连接元件、正齿轮圈等；2.5电子束表面处理应用电子束硬化零件的典型例子是汽车和农用机械的零部件、机械工具部件、工具以及滚球轴承，如：大尺寸活塞环、连轴器、齿轮、曲轴、涡轮叶片、锯齿、模具切割边、铣削刀具、车削刀具、钻头等。3、离子注入表面改性主要内容：1、离子注入的原理2、沟道效应和辐照损伤3、离子注入的特征4、离子注入表面改性的机理5、离子注入表面改性的应用离子束实质是一种带正电的离子离子注入（Ionimplantation）:

离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。离子注入装置简图3.1离子注入简介

将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质3.2离子注入基本过程3.2.1离子注入系统中科院沈阳科仪真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室极限真空度：3.75×10-5Pa

3.2.2离子注入设备在离子注入机中把各种所需的离子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金属或非金属离子）加速成具有几万甚至百万电子伏特能量的载能束，并注入金属固体材料的表面层。引起材料表层的成分和结构的变化，以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，导致材料的各种物理、化学或力学性能发生变化，达到表面改性的目的。在离子注入过程中，具有一定动能的离子射入固体后，就与固体表层内的原子核和电子发生随机碰撞。3.3离子注入原理a) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter通过改变高能离子的能量，控制注入离子在靶材料中的位置。 3.4沟道效应沟道效应：对晶体靶进行离子注入时，由于晶体排列的特性使得某些角度上有长距离的开口。假如注入离子运动方向与这些隧道般的开口相平行，这些注入的离子将不会与靶原子发生碰撞而深深地注入衬底之中。沟道效应导致对注入离子在深度控制上有困难，使离子的注入距离超出预期的深度，使元件的功能受损。将晶片对离子注入的运动方向倾斜一个角度，如沿沟道轴向(110)偏离7~10o，减小开口在晶体表面铺上一层非结晶的材质，使入射的离子在进入衬底前在非晶系层里与无固定排列方式的非晶系原子产生碰撞而散射，降低沟道效应的程度先进行一次轻微的离子注入，将晶片表面的晶体结构破坏成非晶态，再进行真正的离子注入。3.4.1减少沟道效应的措施（111）硅一般采取偏离晶向7°，平行偏转15°的注入方法

110111100倾斜旋转硅片后的无序方向3.5辐照损伤高能离子注入表面层后与靶原子发生一系