《等离子体浸泡式离子注入与沉积技术》介绍了用于材料表面改性的等离子体浸泡式离子注入与沉积（PⅢD）技术。主要内容包括PHID技术发展概况、基础理论、PⅢD设备关键部件设计、PⅢD鞘层动力学计算机理论数值模拟与应用以及机械零件的PⅢD复合、批量处理工艺与应用等。《等离子体浸泡式离子注入与沉积技术》也给出了PⅢD技术最新进展与研究成果。
《等离子体浸泡式离子注入与沉积技术》涉及多门学科和技术，专业知识面宽广，内容系统全面，实用性强，可作为材料科学与工程相关专业本科生和研究生以及从事表面技术研究、开发和生产的工程技术人员的参考书。
第1章 绪论
1．1 离子注入技术
1．1．1 离子注入技术的发展
1．1．2 束线离子注入（ⅠBⅡ）的局限性
1．2 等离子体浸泡式离子注入技术
1．2．1 等离子体浸泡式离子注入技术原理
1．2．2 等离子体浸泡式离子注入技术与离子渗氮技术的区别
1．2．3 等离子体浸泡式离子注入技术与沉积（PIHD）技术
1．3 束线离子注入与等离子体浸泡式离子注入技术的比较
1．3．1 PⅢ与ⅠBⅡ技术的比较
1．3．2 两种离子注入技术要素的比较
1．3．3 ⅠBⅡ和PⅢ各自的优势及应用领域
1．4 等离子体浸泡式离子注入与沉积技术研究现状
1．4．1 PⅢ过程鞘层动力学计算机理论数值模拟技术
1．4．2 脉冲宽度可调、大面积、强流阴极弧金属等离子体源
1．4．3 高电压下慢速旋转油冷靶台与组合夹具
1．4．4 减少、抑制靶的二次电子发射
1．4．5 大功率固态电路脉冲调制器技术
1．4．6 PⅢD内表面处理技术
1．4．7 PⅢD批量、复合处理技术
参考文献
第2章 PⅢ理论基础与等离子体诊断测量
2．1 真空与气体分子运动论基本概念
2．1．1 真空
2．1．2 气体分子运动论基本概念
2．2 等离子体
2．2．1 气体放电与等离子体
2．2．2 等离子体基本方程
2．2．3 平衡态性质
2．2．4 等离子体动力学
2．3 鞘层
2．3．1 基本概念与理论方程
2．3．2 Bohm鞘层判据
2．3．3 离子阵鞘层
2．3．4 正离子阵鞘层的形成
2．3．5 动态鞘层的扩展
2．4 高能离子与材料的相互作用
2．4．1 离子射程
2．4．2 浓度分布
2．4．3 沟道效应
2．4．4 辐射损伤
2．4．5 辐射增强扩散
2．4．6 溅射
2．4．7 离子注入表面强化作用机制
2．5 等离子体及鞘层的诊断与参数测量
2．5．1 等离子体诊断与参数测量
2．5．2 鞘层扩展诊断
参考文献
第3章 等离子体浸泡式离子注入与沉积设备
3．1 PⅢD设备总体结构
3．2 真空处理室
3．2．1 真空处理室几何形状与尺寸
3．2．2 真空处理室材料
3．2．3 处理室本底真空度
3．2．4 多极会切磁场位形
3．2．5 电磁辐射与软X射线防护
3．2．6 处理室内衬与高压瓷绝缘柱（套）屏蔽
3．2．7 真空处理室大门
3．2．8 接口
3．3 高真空抽气系统
3．3．1 真空泵组的选择
3．3．2 高真空抽气泵的抽速和泵组配置
3．3．3 真空处理室的气体流量
3．3．4 供气系统
3．4 高压靶台及组合夹具
3．5 等离子体源
3．5．1 热阴极放电
3．5．2 高压脉冲辉光放电
3．5．3 电容耦合RF放电
3．5．4 电感耦合RF放电
3．5．5 微波放电
3．5．6 间接气体等离子体源
3．5．7 阴极弧金属等离子体源
3．5．8 其他等离子体源
3．6 大功率高压脉冲电源
3．6．1 脉冲调制器的主要技术指标
3．6．2 脉冲调制器输出的平均功率
3．6．3 脉冲调制器阻抗
3．6．4 开关装置
3．6．5 脉冲调制器控制方式
3．6．6 高压脉冲调制器类型
3．6．7 脉冲变压器
3．6．8 PⅢD系统过程诊断和控制
3．7 PⅢD设备安全与防护
3．7．1 电气安全
3．7．2 可靠接地
3．7．3 PⅢD设备安全自锁
3．7．4 电磁辐射安全
3．7．5 真空处理室安全
3．7．6 真空处理室维修安全
3．7．7 压缩气体容器
3．7．8 化学药品的安全使用
参考文献
第4章 PⅢ过程的计算机数值模拟
4．1 理论模型
4．1．1 郎谬尔动态鞘层模型
4．1．2 流体模型
4．1．3 Particle—in—cell模型
4．2 典型零部件PⅢ过程的数值模拟
4．2．1 多个轴承滚珠的PⅢ处理过程
4．2．2 轴承内外套圈PⅢ过程的数值模拟
4．3 基于脉冲高压辉光放电的轴承外圈滚道PⅢ批量处理的数值模拟
4．4 典型零部件PⅢ表面处理工艺参数的选择
4．4．1 高压脉冲幅值的选择
4．4．2 等离子体密度的选择
4．4．3 脉冲电压宽度的选择
4．4．4 被处理零件合理摆放位置
参考文献
第5章 PⅢD表面处理工艺及应用
5．1 PⅢD表面处理工艺
5．1．1 离子注入工艺
5．1．2 薄膜制备工艺
5．1．3 PⅢD复合处理工艺及应用
5．2 聚合物的PⅢD表面改性
5．3 机械零件的PⅢD批量处理工艺
5．3．1 平面形状零件的PⅢD批量处理工艺及应用
5．3．2 圆柱形零件的PⅢD批量处理工艺及应用
5．3．3 零件内表面的PⅢD批量处理工艺及应用
5．3．4 球形零件的PⅢD批量处理工艺及应用
5．4 改性层表面分析与表面检测
参考文献
结束语 等离子体浸泡式离子注入与沉积（ PⅢD）技术前景展望
附录1 主要英文缩写
附录2 主要物理常数
附录3 公式
附录4 单位换算表
材料表面改性是指不改变材料整体特性，仅改变材料表面及近表面层物理与化学特性的表面处理手段。材料表面改性的主要目的是以最经济、最有效的方法改变材料表面及近表面层的形态、化学成分和组织结构，使材料表面获得新的复合性能，以新型的功能满足新的工程应用要求。材料表面改性技术的种类很多，如表面涂层技术、化学气相沉积、物理气相沉积、表面形变与相变强化、高能束处理（包括离子束、激光束与电子束）等等。虽然不同的材料表面改性技术其主要应用对象不完全相同，但是它们或能提高材料表面抗磨损、腐蚀、及疲劳能力；或能改善材料表面润滑能力、降低表面摩擦系数；或能改变材料表面电、磁及光学性能等等。不同的材料表面改性技术在它们各自应用范围内均显示出了很大的优势，在多种领域内得到了广泛应用和发展。目前，材料表面改性技术已形成了一个巨大的产业，可以说，它已成为支撑当今技术革新与技术革命，促进高新技术发展的一个重要因素[1，2]。
航天航空器精密机械零部件（尤其是它们的众多摩擦副）大多在重载荷、强摩擦磨损、高温差和强辐射等恶劣环境下工作，有效地延长它们的使用寿命一直被学者们看作一个非常重要的研究课题。提高这些机械零件表面抗磨损与抗腐蚀能力的最简单方法是在零件表面涂敷一层保护膜，由此概念出发，出现了一系列的基于物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）与化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的镀膜技术。这些传统的镀膜技术显著地提高了零件表面的硬度、抗磨损能力，特别是抗腐蚀能力。但是，由于膜层与基体之间结合力较差，在较强的磨损应用环境下膜层易剥落，膜层剥落后将导致零件表面加速磨损。
1．1 离子注入技术
为了解决膜层剥落的问题，离子注入技术被用于表面强化处理。离子注入技术可分为两大类：一类是束线离子注入，即传统的离子束离子注入（Ion BeamIon Implantation，ⅠBⅡ），它已有五十多年的发展历史；另一类是等离子体浸泡式离子注入（Plasma Immersion Ion Implantation，PⅢ），它是近二十年来发展的新型离子注入技术。这两类离子注入技术虽然在产生高能离子的技术与方式上有很大的不同，但是在材料表面改性物理机理上是类同的，都是高能离子轰击材料表面，入射的高能粒子与材料近表面层内晶格粒子相互碰撞、逐次损失能量，入射粒子与晶格粒子相互作用、相互结合，在表面及近表面层内形成新的化合物相，最终使材料表面及近表面层形态、形貌、成分、相结构等发生变化，从而使材料表面及近表面层的机械、化学、物理（电、磁、热、光及热学）等特性发生显著变化。
1．1．1离子注入技术的发展
在离子注入技术发展过程中，LSS（Lindhard，Scharff及Schiott）模型的提出与成功应用对离子注入技术发展具有里程碑的意义，起到非常关键的作用。随着数值分析技术、Monte Carlo法模拟技术的发展，Ziegler、Biersack和Littmark三人在LSS模型基础上经过不断改进与完善，提出了ZBL模型，由此逐步形成了注入离子的基本理论：注入离子射程分布理论、照射期间离子能量损失理论、照射产生的辐射损伤分布理论以及在菲晶态与晶体内不同离子穿透特性（隧道效应）理论。在这些基本理论指导下离子注入技术获得了飞速发展。自20世纪60年代束线离子注入机成功地用于半导体材料处理和集成电路制作以来，束线离子注入（ⅠBⅡ）技术在半导体材料领域内的应用获得了巨大成功，形成了独特的离子注入微细加工技术，有力地推动了整个电子工业的迅速发展；70年代初，用于半导体材料处理的离子注入机成功地用于金属材料表面改性，显著地提高了材料表面硬度、耐磨损与抗腐蚀能力，大大促进了IBH技术在非半导体材料表面改性方面的发展，IBII技术也迅速走向非半导体材料领域内的商业应用。80年代，多种型号的离子注入机投向了非半导体材料表面改性的商业应用，其最大离子流达10mA，真空处理室直径达60cm，长可达120cm[3-5]。
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