一种利用低温等离子进行锡表面处理的方法

技术领域

一种利用低温等离子进行锡表面处理的方法，属于金属加工领域。

背景技术

在材料科学和工程中，表面的性质对材料的性能和功能起着至关重要的作用。许多材料在其表面具有不理想的特性，如低硬度、易磨损、易氧化等，这限制了它们的应用范围和性能表现。因此，研究人员一直在寻找有效的表面处理方法来改善材料的表面性质，以满足不同领域对材料性能的需求。金属热处理是一种常见的表面处理方法，通过加热材料使其表面发生相变、晶体结构变化或物理性质改变，以提高材料的性能。然而，传统的热处理方法通常需要高温条件，这可能导致材料的晶体结构改变或热膨胀等问题。因此，研究人员开始探索在低温条件下进行表面处理的方法，以克服传统热处理方法的局限性。

低温等离子热处理作为一种新兴的表面处理技术，近年来得到了广泛的研究和应用。它利用等离子体中的离子束与材料表面相互作用，通过离子轰击和表面反应来改变材料的表面性质。与传统热处理方法相比，低温等离子热处理具有以下优势：(1)低温条件：低温等离子热处理通常在200℃至500℃的温度范围内进行，远低于传统热处理的温度要求，这有助于避免材料的晶体结构改变和热膨胀等问题；(2)表面改性：离子束与材料表面相互作用，可以引发表面的物理和化学反应，从而改变材料的表面性质，可以增加表面硬度、改善耐磨性、提高化学稳定性等，从而改善材料的性能；(3)选择性：低温等离子热处理可以根据需要选择不同的气体组合和处理参数，以实现特定的表面改性效果，这使得该技术具有很高的灵活性和可控性。

低温等离子热处理作为一种新兴的表面处理技术，在材料科学和工程领域中具有广泛的研究和应用。它通过利用等离子体中的离子束与材料表面相互作用，实现对材料表面性质和性能的改善。相较于传统的热处理方法，低温等离子热处理具有低温条件、表面改性的选择性、灵活性和可控性等优势。它在材料加工、工业制造、生物医学和光学等领域具有广泛的应用前景，为材料的功能性和性能提升提供了新的途径。随着对材料表面性质需求的不断增加，低温等离子热处理将继续得到深入研究和应用的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用低温等离子进行锡表面处理的方法，通过等离子体、进行离子束加工、实现表面改性等具体步骤，实现提高制备材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。使用直流溅射工艺在直径为300毫米、高度为500毫米的圆柱形不锈钢腔室中制备的Sn薄膜，在磁控溅射设备上安装了一个2英寸的Sn靶材(99.999％)，靶材与衬底之间的距离约为15厘米，单晶硅晶片用作衬底。该方法包括以下几个步骤：

S1锡金属表面清洗；

S2等离子体生成；

S3离子束加工；

S4真空室准备；

S5锡金属表面改性；

S6金属材料后处理。

进一步的，所述的单晶硅晶片丙酮和乙醇中分别超声清洗15分钟。

进一步的，步骤S1中具体为使用浓度为5％至10％的稀硫酸或浓度为10％至15％的稀盐酸进行酸洗，洗后清洁表面。

进一步的，S2中为气体放电中的辉光放电；采用圆形平板铜电极，两极间距离50cm，容器中充满惰性气体，压强为1Torr；开始时产生非常不稳定的微弱电流，电压保持不断，进入汤生放电阶段，稳定后电流增加，电压下降，进入辉光放电前期阶段，此时等离子体密度不断增加而电阻变小，继续增大电流，进入正常辉光放电阶段，此时保持电流不变，防止设备进入反常辉光放电阶段。

进一步的，S3中使用平面感应耦合等离子体线圈处理，底部为石英介质板，板块由π型匹配盒和13.56兆赫射频电源驱动，线圈与样品之间的距离为30厘米。

进一步的，S4中具体为腔室通过分子泵抽空至基础压力小于5*10

进一步的，步骤S5中首先腔室升温，等离子体对锡金属进入活化，处理时间为40秒，在惰性气体分子对锡金属表面的碰撞下对锡金属表面材料特性进行改变。

进一步的，使用的惰性气体包括但不局限于：氩气、氖气、氙气、氮气。

进一步的，所述的升温为升至：200-450℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)低温条件，该方法在200℃至450℃的温度范围内进行，避免了传统高温热处理带来的晶体结构改变和热膨胀等问题；(2)表面改性：通过调节离子束的能量和注入剂的选择，可实现金属材料的硬化、强化和表面氮化、碳化等改性效果，提高其硬度、耐磨性和耐腐蚀性；(3)高效可控：离子束加工过程具有高能量密度和高反应速率，处理时间短，能够在较短时间内完成金属材料的热处理；(4)成本效益：相比传统热处理方法，本发明所需的设备和能源成本较低，同时减少了工艺中的材料浪费和环境污染。

附图说明

图1为本发明等离子体生成过程电压电流变化图；

图2为实验过程前后电镜拍摄图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明作进一步说明。应该理解，这些描述只是实例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参阅图1-2。本发明的目的在于提供一种利用低温等离子进行锡表面处理的方法，通过等离子体、进行离子束加工、实现表面改性等具体步骤，实现提高制备材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。使用直流溅射工艺在直径为300毫米、高度为500毫米的圆柱形不锈钢腔室中制备的Sn薄膜，在磁控溅射设备上安装了一个2英寸的Sn靶材(99.999％)，靶材与衬底之间的距离约为15厘米，单晶硅晶片用作衬底。该方法包括以下几个步骤：

S1锡金属表面清洗；

S2等离子体生成；

S3离子束加工；

S4真空室准备；

S5锡金属表面改性；

S6金属材料后处理。

进一步的，所述的单晶硅晶片丙酮和乙醇中分别超声清洗15分钟，由于单晶硅晶片是锡材料承载载体，所以需要保证单晶硅的纯度以及干净程度，防止其他物质对其造成污染从而使得材料制备失败。

进一步的，由于锡金属表面受到氧化反应，会在其表面形成一层氧化膜，利用等离子进行制备时温度较低，很难去除氧化层，同时该氧化层也会对制备造成感染，所以需要对锡金属表面进行处理，步骤S1中具体为使用浓度为5％至10％的稀硫酸或浓度为10％至15％的稀盐酸进行酸洗，洗后清洁表面，该步骤将锡金属放置于清洗池中，使用流动的溶液对锡金属进行冲洗，必要时使用刷子轻刷材料表面，该步骤可用人工代替。

进一步的，S2中为气体放电中的辉光放电；采用圆形平板铜电极，两极间距离50cm，容器中充满惰性气体，压强为1Torr；开始时产生非常不稳定的微弱电流，电压保持不断，进入汤生放电阶段，稳定后电流增加，电压下降，进入辉光放电前期阶段，此时等离子体密度不断增加而电阻变小，继续增大电流，进入正常辉光放电阶段，此时保持电流不变，防止设备进入反常辉光放电阶段。

进一步的，S3中使用平面感应耦合等离子体线圈处理，底部为石英介质板，板块由π型匹配盒和13.56兆赫射频电源驱动，线圈与样品之间的距离为30厘米。

进一步的，S4中具体为腔室通过分子泵抽空至基础压力小于5*10

进一步的，步骤S5中首先腔室升温，等离子体对锡金属进入活化，处理时间为40秒，在惰性气体分子对锡金属表面的碰撞下对锡金属表面材料特性进行改变。

进一步的，使用的惰性气体包括但不局限于：氩气、氖气、氙气、氮气。

进一步的，所述的升温为升至：200-450℃。

实施例1：进行热处理工作时，首先选择将腔室温度升至200℃，释放惰性气体，确保惰性气体电离，再将腔室升温至450℃，变为等离子体，逐步降温，每小时降低50℃，9个小时恢复室温，完成退火处理过程。

实施例2：在惰性气体的选用过程中，包括氩气、氖气、氙气、氮气几种，不同气体的等离子体不同，且对锡金属造成的影响存在变化，优选氖气作为使用的惰性气体，它具有较低的电离能和较高的稳定性。在使用时，包括以下几个步骤：(1)气体填充，腔室中放入氖气；(2)施加电场，通过连接高频电源，产生高频交变电场，使感应电极中的电场产生变化，这个交变电场会导致容器中的气体分子发生电离；(3)电离，高频电场的作用下，气体分子中的电子受到加速，并获得足够的能量从而脱离原子或分子，形成自由电子和正离子，这些电子和离子会在电场的作用下不断加速和碰撞；(4)碰撞和复合，自由电子和正离子在碰撞中会交换能量，并产生新的离子和自由电子；(5)平衡态，装置中，自由电子和正离子的产生和复合达到平衡，形成一个稳定的等离子体。等离子体形成，热处理过程开始。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例子。