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1、09现代物理实验一一离子注入论文离子注入技术的发展及其在材料方面的应用摘要离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。 它可以使材料表面的 机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬 度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命， 增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应 用，并展望了离子注入的应用前景。关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超 导一、绪论离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模 集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用
2、于金属材 料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大 经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用范围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。近年来离子注入的方式也更加多样化， 除了常规离子注入外，由此派生出的 其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化 完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性， 抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分， 结构组态，化台物
3、相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或 天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使 用寿命。经离子注入后，材料（或工件）韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及 使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技 术与金属学之间新兴的边缘学科“离子注入冶金学（Ion ImplantationMetallurgy）。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。二、关于离子注入的简单介绍（一）离子注入的定义离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰
4、击靶材料实现掺杂或其他作用。 一般的说，离子能量在1 - 5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10几百KeV的称为离子注入。 注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生 变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变.从而达 到材料表面改性的目的。简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的 原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层），是把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料 改性方法。下面是一个离子注入系统的示意图。离子注入系统示意图不同类型的离
5、子源用于产生各种强度的离子束； 质量分析器用来除去不需要 的杂质离子；束流扫描装置用来保证大面积注入的均匀性； 靶室用来安装需要注 入的样品或元器件，对不同的对象和不同的注入条件要求可选用不同构造的靶 室。（二）离子注入技术的特点离子注入是一种新型表面处理技术。它是通过注入外来离子改变材料近表面 化学成分和表面层结构，从而提高材料表面的物理、力学和化学性能，同时又保 持基体材料原有性能、尺寸和表面光洁度。与其它处理技术相比，离子注入有以下特点1、可将任何元素注入基体材料的近表面层，而不受热力学的限制；2、注入元素和基体材料的选配不受限制，注入量不受材料溶解度的限制，可 以得到常规方法不能得到的
6、表面层结构；3、注入层和基体材料之问无明显界面，不存在脱落分层问题，不妨碍基体 传热；4、注入元素的数量和注入深度均可精确控制，易于实现自动化生产。由于 可控制性的改善，离子注入使半导体器件的产量提高10倍；5、可在低温、室温和高温下进行离子注入能在低温下处理是离子注入的一 个突出优点，这对高温下处理时会使基体性能恶化的零部件是十分重要的；6、注入工件表面的元素均匀性好，这特别有利于半导体集成电路的掺杂，改善掺杂的均匀性，可以提高集成电路的成品率；7、注入工件表面的元素纯度比较高；8、不会产生污染环境的排泄物。上述优点使离子注入技术在许多应用领域研部门和工业界的广泛注意。它首先在航空航天和军械
7、工业中得到重视和应用。 目前研制的离子注入设备可降低生 产成本，使离子注入技术可与传统的精饰工艺相竞争。三、离子注入技术的发展及应用（一）在金属材料改性方面的应用离子注入作为金属材料表面改性的手段已受到关注，其应用主要有以下三 点改变金属材料表面的力学性能，如摩擦、摩损、硬度以及材料的疲劳寿命等，改变金属材料表面的化学性能，如高温及中温条件下的抗氧化性能、抗水溶液腐 蚀性能及提高表面电化学性能等改变金属材料表面的物理性能，如电性能、超导 性能、光学性能及绝缘性能等。1 .材料表面改性的一般方式及物理过程离子注人材料表面改性的一般方式是，选择一些合适种类的离子，如N、C、Ti等，经加速器加速达到
8、一定能量后，轰击金属材料表面，入射离子白剂量为1O17 离子/cm2量级，在多数情况下，把入射离子与靶的相互作用仅仅看成是电子碰 撞是不够的.还必须考虑入射粒子与靶内原子核的相互作用， 在入射粒子能量较 低时，主要考虑入射离子与靶原子核的弹性碰撞，几百KeV勺离子注入其相互作用情形即为如此。入射离子在靶中会形成一定的射程分布， 对非晶靶，该分布接 近于高斯型。相同的离子，以不同的能量射入靶中，具射程分布是不相同的。一 般而言能量越大其射程值越大。不同的离子，以相同的能量入射，一般来说，轻 离子的射程值要大些，能量越大，平均射程的值也越大。人射离子进入靶后，通过与靶物质中的电子和原子核相互作用，
9、 逐渐损失自 己的动能，直至在靶中停止下来。这一过程称为离子在固体中的慢化。从能量转 换的角度来说，离子在所经过的路径上将能量传递给靶原子核和电子， 这一过程 为能量淀积过程.失去能量后的入射离子，最后将终止在晶体中的某一位置. 而 被碰撞后的原子则获得足够的能量. 使它摆脱原来品格的束缚，离开平衡位置进 人间隙态.而使晶体内产生一个缺陷，这是离子注入辐射损伤中最简单、 最基本 的一种品格损伤。若被移位的原子把它的能量依次转移到其它原子上去，将发生级联位移，形成更多的缺陷，造成更为复杂的损伤复合体。以上由离子注入造成 的辐射损伤对半导体的电性能有很大影响。 因此，有时需在一定条件下进行热处 理
10、（称退火），以消除辐射损伤造成的缺陷，使损伤的品格得到一定程度的恢复。离子注入技术是一种影响或改变材料表面性能的有效手段之一。通过选择合适能量（几百KeV）.剂量（1O15离子/cm2）以及合适种类的离子注人金属材料表面。 以降低其摩擦系数.提高其耐磨损.耐腐蚀性能等方面均有明显效果。 离子注人 技术将在改善材料表面性能、构造新材料等方面起到越来越重要的作用。2 .金属材料表面改性的经济效益。2.1 .提高表面硬度大量实验表明，金属材料经离子注入后表面硬度会有明显提高。表面硬度的 提高是由于荷能离子是强行轰击进入材料表面， 注入离子与表面层原子发生相互 作用交换能量最终停留在基体材料中.它们或
11、者处于表面品格原子的间隙成为问 隙原子，或者与表面品格原子发生置换成为替代原子，这将使注入区发生膨胀。但它又受到基体的抑制，因此会产生很强的侧向压应力，与喷丸强化相似起到硬 化表面的效果。另外，固溶强化、分散强化也是使表面硬化的重要机制。2.2 .改善材料表面口的耐磨性一般情况下，金属中注入某种离子（用得最多的是氮离子N+）,在经过退火 处理后往往就会使表面硬度和耐磨性有明显提高，对此有几种解释：a.注入表面 存在非常大的应力；b.注入层内存在细微分散的新合金相；c.离子注入在表面屡 形成大量缺陷（如空位间隙原子、位错线、位错环等）产生的位错钉扎效应，它们 部可以改善材料表面的耐磨性能。2.3
12、 .提高金属抗电化学腐蚀性能用离子注入技术可以降低材料在电解质溶液中的钝化势和临界电流密度， 影 响阳极氧化过程，从而降低材料被腐蚀速度，提高抗腐蚀能力。离子注入在材料 表面形成的新台金相、非晶层等结构是提高材料耐腐蚀性能的重要原因。2.4 .提高金属的抗疲劳强度离子注入可以提高材料的抗疲劳性能。 一般认为离子注入可以改变材料表面 层的剩余应力。由于表面剩余张力能加速疲劳裂纹的生成，加速材料疲劳；而表面剩余压应力能延缓疲劳裂纹的生成，所以离子注入改善金属疲劳强度的关键是 选择适当类型的离子，略大于基质原子的离子经注入后能填塞于基质原子的间隙 中，使有害的剩余张应力减少，甚至转化为压应力，延缓疲
13、劳裂纹的生成。(二)在半导体、集成电路和超大规模集成电路上的应用离子注入已成为半导体生产的常规工艺。它和电子束、激光束配合而形成超 大规模集成电路的亚微米加工技术。离子注入神化嫁可制出超高速集成电路，具 速度比同样规模的硅材料制的电路快几倍、而且工艺也大大简化。离子注入 HgCdTer制出卫星照象和遥感用高灵敏度的红外探测器。离子注入技术在半导体中的应用主要涉及以下几个方面：1 .离子注入在浅结形成中的应用为了抑制MO穿通电流和减小器件的短沟效应，半导体工艺的重要要求是减 小CMOS/漏结深。先进CMOS艺对器件p-n结有很高要求，要有高的表面掺杂浓 度、极浅的结深、低接触和薄层电阻以及小的结
14、漏电流等。为了形成浅结，离子注入是一种可选技术，结深由注入能量和下一步扩散工 艺决定。注入能量的下限受束流下降限制，扩散温度的下限取决于消除注入损伤、 激活杂质和避免退火期间的瞬时增强扩散。现代商业注入机通常不低于10keV,非常低的能量存在束流稳定和低束流问题。为了制作超浅p-n结,现代商业注入机所采用的注入杂质的射程太大,为获得小于60nm勺结深,要严格控制注入分布,对 此还存在于射程偏差、横向偏差和沟道等有关的问题。为了形成非晶的表面层，注入一种电不激活物质，如硅或错，可以制作p-n浅结。这样可以消除沟道效应， 而且与重损伤注入层相比，完全非晶层退火后有更好的晶体质量。在形成p-n浅结的
15、工艺过程中，与离子注入相关的主要缺点是在结区附近存 在剩余缺陷，要用高温才能消除这些缺陷，为了克服用离子注入制备浅p-n结的困 又t,已试验了各种工艺，主要包括：由掺杂沉积层扩散、外延Si , Ge , Si1-xGex、 多晶Si和Si1-xGex、硅化物、硼硅玻璃、涂布二氧化硅乳胶、气相浸没激光掺杂、 气相扩散、等离子体浸没离子注入等。2 .化合物半导体集成电路工艺中的离子注入(1)掺杂工艺化合物半导体相对于硅的主要优点在于其较大的能隙和较高的载流子迁移 率。一般来说，这些性质允许它们在较高温度和较高频率下工作。一个附加的化 合物半导体的性质是其应用带隙工程的本领，通过组分改变产生二元、三
16、元、四 元或更复杂的化合物。田-V族化合物半导体元素可以子晶格混合来调整能隙、 光学及电学性质。掺杂工艺选择离子注入还是扩散方法，或直接由外延生长产生导电层，这取决于器件所要求的电学特性和允许的制造工艺。用扩散产生结的方法近年来在化 合物材料中并不常用，虽然在GaAS：艺中有一些重要应用。但是，扩散层深度和剖 入的控制比离子注入或外延生长掺杂方法困难得多。因此基于扩散的掺杂工艺日 益被冷落。离子注入的广泛应用是许多制造工厂的选择。这主要是由于其类似硅的工艺流程和相对低的器件制造成本。尽管外延层成本高于离子注入的衬底，但它以异质结构材料的发展和对掺杂及组分接近原子级的精确控制充分发挥出化 合物半导体的能力
