（凝聚态物理专业论文）注入离子的蓝宝石晶体光学特性的研究.pdf

注入离子的蓝宝石晶体光学特性的研究 凝聚态物理专业 研究生王新练指导教师黄宁康 离予注入蓝宝石晶体，一方面引入了杂质离子，注入的杂质离子在基体中可 形成异质纳米微粒，另一方面由于辐照效应会在蓝宝石基体中产生各类色心， 这都会引起蓝宝石晶体特性的改变，特别是光学特性的变化与上述两个因素存 在密切的联系。我们采用n b + 离子注入蓝宝石晶体，肘注入n b + 离子的蓝宝石晶 体退火前后的光学性能进行了系统的研究。我们还对样品进行了表面形貌的观 察。取得了吼下几点结论： 1 ) x p s 分析表明：蓝宝石晶体中注入n b 在退火后具有n b o 、n b “、n b ”、 “、n b “等态。这些不同荷电态的离子在基体中的峰位处于不同的深度处。 2 ) 对样品进行光吸收谱测量表明，n b + 离子注入蓝宝石晶体所产生的色心点 缺陷对光的吸收主要集中在紫外和可见光高能区段。通过对光吸收谱2 0 0 5 5 0 n m 范围进行高斯拟台及荧光谱验证确认，确定g i 起光吸收的色心主要是f 心，n 山，r 心，f ，心，f 。“心。退火条件对色心的消除的影响也进行了研究。 3 ) k b + 离子与电子和中子辐照在蓝宝石晶体中产生的色心的光谱u 难位相比， 峰位发生了一定的移动。这可能是由于色心周围存在不同荷电态的n b l 离子的缘 故，甚至是这些n b 离子与色心可能形成缺陷缔合体所致。 4 ) 不同温度条件i + 离子注入蓝宝右晶体中所肜成的色心的稳定性不同， 室温注入所形成色心较稳定一些，不易通过退火消除掉，面低温注入所形成的 色心易通过退火进行消除。 5 ) 离子注入蓝宝石晶体所产生的缺陷的多少随注入剂量的增加而增加，相 同注入剂量条件下，f k a 高晶面指数面产生缺陷的效率较高。 6 ) s e m 观察到了注入离子在蓝宝石晶体中可形成亚微米微粒和纳米颗粒。 纳米微粒可在注入时不经退火就形成，也可能经退火后才形成，与注入离子种 类和注入条件有关。经退火处理，这些颗粒会生长变大并向表面移动，形成的 微粒的形状与注入晶面有关，颗粒大小随退火温度升高而变大。可以预见，通 过适当选择注入条件和退火条件，可以获得所需要大小的纳米微粒。 、 关键词：离子注入蓝宝石光吸收谱荧光谱$ e m r e s e a r c ho nt h e o p t i c a lp r o p e r t i e s o fi o n i m p l a n t e ds a p p hi e m a j o r ：c o n d e n s es t a t ep h y s i c s m a s t e rs t u d e n t ：w a n gx i n li a n s u p e ra d v i s e r ：h u a n gn i n g k a n g s a p p h i r ei si m p l a n t e dw i t hi o ns p e c i e s ，o nt h eo n eh a n d ，t h e s e i m p l a n t e di o n sc a nf o r mn a n o - m e t e rp a r t i c l e si nt h es a p p h i r e ：o nt h eo t h e r h a n d ，d if f e r e n tk i n d so fc o l o rc e n t e r sc a nb ey i e l d e di nt h es a p p h i r eb y i o ni m p l a n t a t i o nd u et oi r r a d i a t i o ne f f e c t t h ec h a n g e so ft h ep r o p e r t i e s o ft h es a p p h i r e ，e s p e c i a l l y ，o ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，a r ei n f l u n c e db y t h ei m p l a n t e di m p u r i t ya n dt h ec o l o rc e n t e r s t h ee l e m e n to ft r a n s i t i o n m e t a l ，n b + w a sf i r s tu s e dt oi m p l a n t ei n t os a p p h i r ei no u rw o r k t h e o p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ei m p l a n t e ds a p p h i r eb e f o r ea n da f t e ra n n e a li n g i n r e d u c i n ga t m o s p h e r ew e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d a n ds u r f a c e m o r p h o l o g i e so f t h es a m p l e sw e r ea l s oo b s e r v e dw i t hs e m t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mt h i ss t u d y ： ( 1 ) t h ex p sr e s u lt si n d i c a t et h a tt h ei m p l a n t e dn ba r ei nd i f f e r e n t c h a r g es t a t e sl i k en b o 、n b + 、n b + 2 、n b + 4 、n b + 5 a f t e r a n n e a l i n gi nr e d u c i n g a t m o s p h e r e ，a n dt h e i rn u m b e rp e a k sl o c a t ea td if f e r e n td e p t h ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h eo p t i c a la b s o r p t i o ns p e c t r a ，t h em a i na b s o r p t i o n b a n d sa r el o c a t e da tt h eu v v i sa r e af o ra l lt h es a m p l e si m p l a n t e dw i t h n bi o n s a 1 1t h ea b s o r p t i o nc u r v e sw e r ee v a l u a t e db yg a u s s i a nf i t t i n g s h o w i n gt h a tt h e r ew e r efc e n t e r ，f + c e n t e r ，凡c e n t e r ，f 2 + c e n t e ra n d 凡。 c e n t e ri nt h e 岫+ i m p l a n t e ds a p p h i r e w h i c hw e r ec o n f i r m e db yl u m i n e s c e n c e s p e c t r a t h ea n n e a l i n gp a r a m e t e ra f f e c tt h ee l i m i n a t i o no fc 0 1 0 rc e n t e r s 4 i nt h es a m p l e s ( 3 ) t h ep e a k si no p t i c a ll u m i n e s c e n c ec u r v e ss h i f tal i t t l ef o rt h e s a p p h i r ew i t hn b + i o n si m p l a n t a ti o ni nc o m p a r i s o nw i t he l e c t r o n so r n e u l r o h bi “a u 一* a l , u n t h i sp h e n c n e n e ns e e m st nq h wt h a ti nt h ev i c i n i t y o ft h ea n i o nv a c a n c i e s ，t h e r ee x i s t e dn i o b i u ms p e c i e si nd i f f e r e n tc h a r g e s t a t e s ，t h e s en b + i o n sm a ye v e nc o m b i n e dw i t hc o l o rc e n t e r st of o r m i m p u r i t y d e f e c tc o m p l e x e s ，h e n c el e a d i n gt ot h es h i f t so ft h e l u m in e s c e n c ep e a k s ( 4 ) t h es t a b i l i t yo ft h ec o l o rc e n t e r sf o r m e di nt h e s a m p l e si s d e p e n d e n t o nt h ei o n i m p l a n t a t i o nt e m p e r a t u r e t h ec o l o rc e n t e r s p r o d u c e d b yn b + i m p l a n t a t i o ni ns a p p h i r ea tl o w e ri m p l a n t a t i o n t e m p e r a t u r ec a nb ed e l e t e dm u c he a si e rt h a n t h o s ea tr o o mi m p l a n t a ti o n t e m p e r a t u r eb ya n n e a li n g ( 5 ) t h ed e f e c t sc a u s e d b yi o ni m p l a n t a t i o n i ns a p p h i r e a r ei n c r e a s e d i t ht h eh i g h e ri o nd o s e s m u c hm o r ed e f e c t sc a nb ep r o d u c e di n t h e c r y s t a lp l a n ew i t hah i g h e ri n d e xb yi o ni m p l a n t a t i o nu n d e rt h es a m e d o s e s ( 6 ) s u b m i c r o m e t e rp a r t i c l e so rn a n o p a r t i c l e sc o u l db eo b s e r v e d b ys e mf o rt h e i o n i m p l a n t e ds a p p h i r eb e f o r ea n da f t e ra n n e a l i n g ， n a n o p a r t i c l e sc a nb eo b s e r v e db e f o r ea n n e a l i n g t h e s ep a r t i c l e sg r e w b i g g e rw i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，t h e ym o v e dt ot h e s u r f a c ed u ri n ga n n e a li n g t h es h a p eo ft h ep a r t i c l e sa r er e l a t e dt ot h e c r y s t a lp l a n e s i tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h en a n o p a r ti c l e sc a nb ef o r m e d w i t h i nt h es u r f a c ea r e ao fs i n g l ec r y s t a lb yi o ni m p l a n t a t i o nc o m b i n i n g it ha n n e a li n gt r e a t m e n ti f t h e i o n i m p l a n t a t i o np a r a m e t e r sa n dt h e a n n e a l i n gc o n d i t i o n sa r ec a r e f u l l ys e l e c t e db a s e do no u re x p e r i m e n t s ， k e yw o r d s ：i o ni m p l a n t a t i o n ；s a p p h i r e ；o p ti c a la b s o r p t i o ns p e c t r a l u m i n e s c e n c es p e c t r a ：s e m 5 引言 蓝宝石晶体硬度高、抗辐照、耐腐蚀、良好的导热性、高的电阻率、良好 的光学透过性、红外透过率几乎不随温度发生变换。由于具有以上特性，因而 获得了广泛的应用，是用途最广的晶体材料。主要用于各种精密仪器、仪表和 各种精密机械的轴承或耐磨损、耐高温元件。还可以作为大规模集成电路的外 延基片，红外接收、探测器的窗口材料，耐高温、耐腐蚀的监控窗口材料。长 期以来一直是应用和研究得最为广泛的氧化物绝缘晶体材料。 离子注入技术可控性强，均匀性好，重复性高，是对晶体进行掺杂的一种 十分简便、有效、可控的方法。离子注入氧化物晶体中，不仅能引起晶体表面 组份的变化，而且会引起辐照损伤，产生各种缺陷，使基体的特性发生改变。 由于氧化物品体中不同的异质原子处于不同的亚结构上，不同原子间的键合状 态也不同，离子注入氧化物晶体产生缺陷的过程又是一个偏离热平衡的不均匀 过程，因而离子注入氧化物晶体产生缺陷的现象是很复杂的。研究表明，氧 化物晶体的各种性能的改变是与其中形成的各种缺陷有关，特别是光学性能的 变化是与晶体中产生的各种色心点缺陷有关。 长时闯以来对于离子注入蓝宝石晶体的研究一直是个比较活跃的领域。 1 9 7 4 年莫勒瑙尔( m o l l e n a u e r ，l ) 等人首次利用l i + ：k c l ：f a ( i i ) 色心晶体 获得近红外可调谐激光输出以后，相继发现色心激光具有一系列优良特征，并 在高分辨卒光谱学、光纤通信、频标、激光化学、医学、窄带隙半导体物理等 研究中得到重要应用。但氧化物色心激光器存在光学稳定性差的问题，而通过 离子注入进行掺杂有望改善此类激光器的光学稳定性”1 ，这也促进了对离子注 入蓝宝石晶体的研究。2 0 世纪六十年代，h w l e h m a n n 等人研究了未经任何 辐照处理的纯粹的蓝宝石晶体的点缺陷及其光谱特征”1 。k h l e e 等人在1 9 7 7 年报道了他们对于中子辐照蓝宝石晶体所产生的色心及其光学特性的研究结果 “1 。y c h e n ，g j p o g a t s h n i k 等人对于中子和电子辐照的蓝宝石晶体产生 色心所对应的光谱特征进行了研究报道。1 。t t a n a b e 等人在1 9 9 6 年报道了d + ， h e + 注入蓝宝石晶体注入参数对于其中所形成f 类色心的影响3 1 。e a l v e s 和 他的合作者们在2 0 0 0 年前后的几年中，对一系列离子注入蓝宝石晶体( n ，p t ， w ，f e ，a u ，c o ) 的光谱特征进行了研究，分析了离子注入参数及退火效应对于 晶体中色心的影响”3 。k e i k oa o n o 等人在2 0 0 1 年报道了退火效应对c e 离子 注入蓝宝石晶体荧光谱的影响。1 。尽管已经开展了很多研究工作，但对于离子 注入蓝宝石晶体的许多问题还没有研究清楚，如注入金属离子与注入产生的阴 离子空位缺陷的相互作用形式、注入离子在基体中的迁移聚集、注入离子的蓝 宝石晶体色心电子结构的理论计算等。 介电材料中具有非线性光学特性的材料在光电子系统中有广泛的应用，这 些有价值的特性是由于存在于基片中的纳米尺度( 一般小于l o n m ) 粒子产生的 “。对于蓝宝石晶体，在其中可通过离子注入的方式形成纳米粒子。这一结果 通常是通过控制注入时的参数和注入后的退火条件来达到。离子注入改变了注 入离子的蓝宝石的光谱结构，有助于产生新的发光发射。新的纳米结构的形成 和注入离子与离子注入所产生的缺陷的相互作用的有关知识是解释注入引起的 变化的基础“”。 我们将不固溶的一些过渡族金属元素如n b + 离子注入蓝宝石晶体，通过退火 前后的吸收和荧光光谱分析，研究了注入温度和退火温度对于蓝宝石晶体中因 离子注入所产生的各种色心的影响。众所周知，对于固溶或者部分固溶的元素 进入蓝宝石晶体中，会产生替位或者日j 隙，而对于低( 不) 固溶的元素注入蓝 宝石晶体中，其行为将会是怎样的? 低固溶度的金属离子注入绝缘体蓝宝石中， 将导致过剩阳离子电荷补偿效应，这一过程是通过在晶体中形成注入离子一缺 陷缔合体或者是形成会属相来实现“。因而，在注入离子迁移过程中伴随的点 缺陷运动，特别是产生的色心行为变化是我们所关心的，因为通过色心的变化， 这反映在光学性能的变化上，可以使我们间接了解注入杂质的迁移行为。我们研 究了不固溶舍属元素离子注入蓝宝石晶体后通过退火是如何偏聚为颗粒的。 1 离子注入技术 1 1 离子注入装置及基本原理 离子注入是在加速器中以几万到几十万伏电压作用，加速一种或者几种元素 的离子束流，将所需元素注入放在真空靶室中的固体材料，使零点几微米的表 面层中添加注入的元素。离子注入将引起材料表面的成分和结构的变化以及原 子环境和电子组态的扰动，由此导致材料的各种物理、化学、或机械性能的变 化。因此，这一技术又被称为离子束材料改性技术。由于这一技术制备过程是 一个非热平衡过程，能够制备出常规方法所不能制备的一些具有特殊性能的新 材料，近些年来，在大规模超大规模集成电路、光电子集成、固态工艺、材料 科学和工程技术的各个领域中，发挥着越来越重要的独特的作用。 1 1 1 离子注入的基本原理“4 出于不同的使用目的与考虑，离子注入机有许多不同的形式，但就基本的 工作原理和基本的结构来讲都应包括以下几个基本的系统：( 1 ) 离子源系统； ( 2 ) 离子的引出和加速系统；( 3 ) 质量分析系统；( 4 ) 离子束聚焦和扫描系统： ( 5 ) 靶室和真空系统。其装置如图1 一l 所示。 囊焦电儇 钠期加建j h 州 i 乜豫 图卜1 离子注入装置示意图 。 气体或余腻在离子源中被离化，形成等离子体，其中的萨离于被引出离子 3 源。从离子源中引出的正离子具有一定的初速度，经磁分析器从引出的正离子 中选出所要注入的纯度极高的正离子。选出的正离子经加速管加速达到所需的 能量，以控制注入的深度。聚焦扫描系统将离子束聚焦扫描，有控制的将离子 注入工件的事而离子沣入的剂量由与工件相连的电荷积分仪给出。 下面针对离子注入装簧的几个重要部分的工作原理分别做一简要介绍。 离子源 离子源的作用是产生所需的离子束。离子源的基本结构是由产生高密度等离 子体的体腔和引出系统组成。对于气体元素的离子较易于产生，把气体引入离 子源内，离子源内产生的运动电子将气体离化，形成等离子体，其中的正离子 被引出等离子腔；金属离子的电离较为复杂，需要较复杂点的装置。先加热离 子源中的挥发性金属化合物，或者采用氯化处理技术，即将氯气通入离子源室， 并与离子源中放置的金属起反应，形成氯化物被灯丝产生的热量所挥发，然后 被电离，正离子被引出。离子源要求能使气体或金属持续放电。引出系统将正 离子从等离子腔体中引出至质量分析系统，对它要求引出束流要强，分散性小， 并具有较大的气阻( 因为放电区处于低真空状态，而束流的加速区处于高真空 状态，如果引出系统气流过大，会给高真空的获得带来困难，也会降低气体的 利用率) 。 离子束的加速 离子注入设备中的加速器一般采用静电加速器或直线加速器等结构形式。 静电加速器属直流高压型加速器，它使带电离子通过高压电场获得能量，能 量的大小由下式决定： w = 州 ( 1 一1 ) 式中，q 是带电离子的电量，u 为静电加速器中的电势差，w 为离子能量。 直线加速器则是使带电离子连续多次通过电压不很高的加速电场来获得很 高的能量。其工作原理如图l 一2 所示。 带电离子经过n 个加速i b j 隙后所获得的能量为： w = q n g , c o s u t 4 ( 1 2 ) 一 图l 一2 直线加速器示意图 图1 3 磁分析器原理 分析器 分析器是一种质量分选器，有磁分析器，正交电磁场分析器、四极质量分析 器、和高频质量分析器等多种形式。离子注入机多采用磁或正交电磁场分析器。 ( 1 ) 分析器 磁分析器原理如图l 一3 所示： 磁分析器是由扇形直流电磁铁和真空盒组成。质量为m ，电量为q 的粒子， 以速度v 垂直于均匀磁场运动时，作匀速圆周运动，受洛仑兹力f 提供向心力： 圆周运动半径，为： f = q v x b 朋v r = 一 祁 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 由向心力：f ：翌蔓得 r ，：尘生 ( 1 5 ) q b 其中，离子进入均匀磁场前所具有的能量为，由( 1 5 ) 知，当q 、，、 一定时，调节b 的大小使离子沿着确定的轨道半径运动，并通过狭缝s ：，可 以获得具有某一质量的离子，从而达到分选不同质量离子的目的。 e ( 2 ) 正交电磁场分析器 正交电磁场分析器由均匀的电场和均匀的磁场相互正交组成，原理如图l 一 4 所示： 暑! 牵型 篪堕堡三芤一 + i 图1 - - 4 正交电磁场分析器 图l 一5 双筒“静电透镜”示意图 在电磁场中，带电离子所受的电场力和洛仑兹力方向相反。只有当此二力 大小相等的带电离子才能在分析器中直线前进顺利通过分析器而被选出，只有 特定质量，特定速度的离子才能满足此条件，才能被选出进入加速器，其余离 子由于此二力不能平衡而被偏离掉，达到了质量分选的目的。 离子束聚焦和扫描系统 由于离子柬从离子源到靶室中间要经过不短的一段距离，在此过程中，离子 隶会由于相互排斥、和系统中剩余气体分子碰撞等原因而发散，所以离子柬流 的直径会变大。为在靶上得到合适的束斑，必须进行聚焦。对离子束的聚焦一 般采用的是“静电透镜”( 图l 一5 ) 。它由两个同轴同半径的金属圆筒组成， 圆筒有不同的电势，设分别为u 。、仉，u ， i j 。，则在两圆筒之| 日j 的间隙形成所谓 的“静电透镜”，可以对离子束进行聚焦，且焦距可通过改变两简上的电势进行 调节。 。 扫描系统则是为了实现离子束在靶上的均匀注入而引入的。由于离子束流截 面较小，中间密度大，四周密度小，在靶上得不到均匀注入层，为了实现离子 束在靶上的均匀注入，必须使离子束往复的，均匀的扫过靶面，即要进行扫描。 通常的扫描方式育三种：静电扫描、机械扫描，混合扫描。静电扫描是靶不动， 离子束通过一对平行扳电容器作用，在x 、y 方向做电扫描：机械扫描是离子束 6 不做扫描，靶做二维机械运动；混合扫描则是离子束在某一方向( 在x 或y 方 向) 做电扫描，而靶在另一方向做往复机械运动。 离子注入剂量的测量和控制一般是通过电荷积分仪进行测量和控制。 1 1 2 离子注入的特点 离子注入技术同一些传统的技术工艺相比，有一些突出的特点“圳： ( 1 )离子注入是靠电场力以离子形式将添加物注入基体材料中，是一个 非平衡的过程，注入元素的浓度不受平衡相图的限制，使得一些在液态都难以 互溶的元素形成固溶体，得到一般方法难以获得的新相。离子注入可以形成过 饱和固溶体、化合物、和非晶态。 ( 2 )通过监测注入的电参数，控制注入离子的剂量和能量，从而精确控 制注入元素的数量和深度掺杂工艺中可精确控制掺杂的浓度分伟和深度分 布。 e ( 3 )离子束流经质量分析器选取后，所获得的是纯度极高的离子束流； 离子注入可获得均匀注入，且重复性高，束流横向扩展小，能满足集成电路微 细加工的技术要求，有利于器件和集成电路等的大规模生产。 ( 4 )离子注入是一个无热的过程，可以在宅温和低温进行，不会引起工 件变形和表面粗糙度的变化，有利于精密件的表面强化处理。 ( 5 ) 离子注入是与基体中的基体原子相混合，无明显界面，不存在注入 层的剥落问题。 由于离子注入技术具有以上的特点，可能制造出其他方法所不能得到的新 材料，因而有人认为离子束技术是进行材料设计的手段之一，是实现从天然材 料进入人工材料的关键技术之一。 离子注入技术也存在一定的局限性。设备昂贵，成本较高。由于离子束是 直线前进，使得复杂工件的表面难于均匀注入，特别是对小截面的深孔仍无法 处理。离子注入机价格昂贵，维护技术复杂。注入层较薄( 一股小于1um ) ， 只适于最表面的改性。针对这些局限性，目前也发展了一些新技术，如等离子 体注入技术，大型的强流注入设备，离子束增强薄膜沉积技术等。 1 2 注入离子与固体的相互作用的基本概念 7 1 2 f 弹性碰撞和非弹性碰撞 快速离子注入固体靶后，入射离子与固体中原子、电子发生一系列的碰撞， 逐步将离子的能量传给原子和电子，离子的运动方向不断发生偏转，经过一段 益折召勺路程之后，直至i j 离子的能量消耗到小于2 0 e v ，在固体中停留下来。此一 过程称为注入离子慢化，也是注入离子能量在靶内的淀积过程。这种过程通常 是通过三种机制进行的，即核阻止过程、电子阻止过程和离子与固体原子交换 电荷损失能量。其中，第三种是离子高速运动过程中的相对论效应，一般的离 子注入过程中，它的影响极小，通常不予考虑。 注入离子与靶原子碰撞，将能量传递给靶原子，自身产生大角度偏转，参 与碰撞的粒子i b 】的机械能守恒，称为弹性碰撞，与核阻止过程对应。传递给靶 原子的能量使晶格原子产生移位，形成间隙原子和空位等晶体缺陷。离子与电 子相碰撞，将能量传递给电子，引起电子激发或电离，晶格损伤可以不计。每 次传给电子的能量很小，离子偏离方向也小，且碰撞中不遵守机械能守恒，称 为非弹性碰撞，与电子阻止过程对应。离子注入固体中时，两种过程都存在， 但在不同的能量段、不同原子序数离子注入情况下占主导作用的过程不同，在 几十至几百k e v 的低能范畴和大原子序数情况下，弹性碰撞的核阻止过程占主 导。在m e v 的商能量和小原子序数离子注入情况下则非弹性碰撞的电子阻止过 程占主导。 1 2 2原子移位与移位域能 注入离子与靶原子的碰撞过程是弹性碰撞过程时，入射离子与品格原予发 生弹性碰撞，导致晶格原子离开正常的晶格位置，形成位移缺陷。这些缺陷可 能是单空位，可能足单个填隙原子，也可能是它们的组合，甚至是缺陷簇、非 晶区、非晶层等，但它们部起源于入射离子与靶原子的碰撞而引起靶原子的位 移或绒联碰撞。但晶格原子在平衡位置时势能最小，要使其离开平衡位置，需 要一定的能量克服势能位垒。这个所需要的能量称为移位域能l 。只有当入射 离子通过碰撞交给品格原子的能量大于移位域能l ，靶原子才可以从平衡位置 离开，成为移位原子，同时晶格中留下一个空位。移位域能e 。的大小与固体的 组成和结构有关。理论计算e d 的大小不容易，一般驳实验值。表1 2 一l 给出了 某些常用靶材的移位域能已值+ 。1 。 表1 2 1 一些材料的移位域能值 材料蜀( “)材辑局( e v )材料岛( e v ) v筠 c a 2 8 c o 2 3 c 1 2 压2 l 一2 4 +n b篮3 6 p d 2 6 。3 1 3 4 s 2 3 2 4 ，2 6 c d1 9 h1 5轴篮l n1 7 t i 3 2 3 3w3 8 5 0 r e4 0 p b1 0 5 1 2n第砸1 9 c ( 石墨 2 5 3 l c ( 金剐石) 3 5 8 0冀 l l 一复 g e1 2 一 c u ( 晶体)1 9 1 2 9 ) a l 1 9 ( 2 7 ) n i 2 3 0 3 )p l ( 晶体)3 3 ( “)f e ( 晶体)1 7 ( 4 , t ) m o ( 晶体) 3 3 1 6 5 ) - 3 6 知( 晶体)1 9 ( 2 9 ) a n 3 5 ( 4 3 ) ( 晶体)9 ( ) 。9 ( c ) 7 _ , n s ，1 0 ( z 1 1 ) ，1 5 ( s ) c d s 7 ( c d ) 9 ( s ) s c4 0 一 m 9 06 4 ( m g ) 6 0 1 0 ) 他o ， 1 8 ( 1 ) 7 6 1 0 ) m s 1 2 0 5 6 ( 0 ) z a o 柏( z 1 1 ) 。5 7 1 0 )u 0 24 0 ( u ) ，3 0 ( 0 ) b e o 7 6 1 0 ) 1 0 1 2 3 级联碰撞 离子注入固体中时第一次从晶格位撞出的靶原子称为仞级返冲原子，如 果它从仞级碰撞中获取的反冲动能远大于移位域能，因此它会继续与品格原 子碰撞，从而产生新的返冲原子( 称为次级返冲原子) ，这种次级碰撞接连 不断的过程叫级联碰撞。 1 2 ，4辐照损伤“” ( 1 )离位峰在级联碰撞过程中，许多品格原子被撞离晶格位，称 为间隙原子，同时原晶格位留下许多“空位”，形成辐照损伤。当级联碰撞 密度不大的时候，形成的是孤立的、可分丌的点缺陷。随着级联碰撞的扩展， 9 会形成点缺陷的结团。当高密度的级联碰撞发生时，会将一个小区域的原子 都撞到它的周围，形成含间隙原子较多的一个外壳，一些空位聚集在中间， 形成一个空腔。这种富集的空位区称为离位峰，如图1 6 。产生离位峰的临 界能量与入射离子的质量有关，对m 三1 0 0 的重离子能量为1 0 6 0 k e v 时， 即可出现离位峰。 图1 6 离位峰的形成 离位峰是不稳定的，会发生崩塌，外壳的日j 隙原子重新跳回空位，原子将 受到剧烈扰动，增加一些间隙原子、空位、形成位错等晶体缺陷。甚至可能使 局部原子处于混乱状态，形成非晶态。 ( 2 ) 聚焦效应和沟道效应由于通常的固体靶材多具有一等的晶体结 构，因此，级联碰撞不是随机的，在两次碰撞之间存在结构关联，碰撞造成的 损伤也与晶体的结构有关。由于原子的有规则排列将迫使相继的碰撞之间存在 方向的关联，即能量和动量的传递会集中到依次排好的一排原子的方向上，这 种现象称为“聚焦效应”。聚焦效应将影响移位原子数和移位原子的初始分向， 移位原子将比无规排列变少，而“聚焦”原子的移动距离将变长。晶体中原子 有规则的相继排列成列，多个原子列又包围形成通道，称为“沟道”。注入离子 沿着沟道方向注入时，受到的阻止作用要比其它方向小的多，因而在晶体中的 入射距离也大的多，这种现象称为“沟通效应”。后边将进一步对此进行讨论。 ( 3 ) 热峰入射离子以小角度与晶格原子碰撞时，原子接受的能量低于 其移位域能，不能产生移位原子，使原子在原洛点附近作剧烈的振动而变得很 1 0 热。相邻的原子相继发热，使得局部区域温度过高，这个区域争的原子都处于 剧烈运动状态，可能象熔融的液体一样，这种现象称为热峰。级联碰撞过程通 常是在l o - 1 2 秒左右的瞬间完成，这就导致局部温度瞬间升高很快，可达1 0 0 0 k 。 由于晶格的导热，热量又很快消散，温度迅速下降，冷却速度可达1 0 ”k s ，使 得局部的无序状被保留了下来，形成非晶态结构。 由于热峰效应，用重离子轰击基体更容易形成无序或非晶态。通常重离子 注入轻原子靶时，级联碰撞产生的热峰可直接形成非晶区。而轻离子注入重原 子靶时，则需要级连碰撞多次叠加，缺陷密度超过一定的临界值才能形成非晶 区。通常离子注入形成非晶态是一个综合效应，并非单纯某一个效应的结果。 总的来讲，由于级联碰撞、移位峰、热峰等机制使得注入层晶格发生了多 次换位，发生混合，晶格规律性受到破坏，留下许多空位、自j 隙原子、位错等 晶体缺陷。此外，离子注入或轰击造成晶格结构的损伤，使得注入杂质在靶物 质中的扩散大大增强，此现象叫辐射增强扩散效应。这种异常的扩散，使得杂 质的扩散深度和溶解度均增大，不同于一般热扩散，促进基底中析出物的生成 和析出。 1 3 非晶靶中的射程分布理论 1 3 1l s s 理论吣1 对于离子注入靶物质后注入离子在基体中的射程分布规律及其影响因素 是离子注入方面一个极为重要的问题。射程分布的计算是一个极为复杂的问题， 因为离子注入的过程中，重要的变数多，质量，能量分南范围广，因而没有一 个单一的理论和方法能对各种因素作出精确的分析。在离子注入条件下，通常 涉及的是能量较低的重离子，对于这种情况，通常用l s s 理论进行处理。l s s 理论首先研究离子注入非晶靶中的射程分南情况。非晶靶是指固体靶内原子的 分白杂乱无章，没有规律性，但靶的原子密度分和均匀。对于非晶靶，入射离 子在靶中的射程分前】主要依赖于注入离子的能量、质量、原子序数和靶的原子 质量、原子序数、原子密度以及注入时靶的温度、离子的剂量等情况。 用e 。代表入射离子的能量，已代表入射离子传输给靶原子的能量。d e d x 为能量为e 的入射离子沿入射深度单位距离上的能营损失，对于确定能量的离 子和靶材，d e 。d x 为常数。当入射离子的入射深度为x 时，其能损为 e ：侄1 缸 t , d z ) ( 1 6 ) 它随x 而变化。设靶原子的体密度为n ，厚度为工，受离子束照射的面积为a ， 则n a xa 为受离子照射的靶原子总数，而单位面积上的靶原子数则为 n x a a = n 缸，它随x 线性增加。令能损 篆) x 与单位面积上的靶原子数 n a x 成正比，定义比例系数s ( e ) 为阻止本领，则有 s ( 五) = 一面1 堡d x ( 1 7 ) = 导为负值，故上式右边取负号。 d r 在l s s 理论中，中等能量的重离子注入到靶内的能量损失，可分为两个相 互独立的过程，即核碰撞和电子碰撞过程。核碰撞过程足入射离子将能量传递 给靶原子核，这是弹性碰撞过程，其结果是在晶体中产生损伤并使入射离子发 生大角度散射；电子碰撞过程是入射离子将能量传递给靶原子中的电子，并可 能引起激发、电离等。 与此两过程对应的能量损失的两个概念，即核阻止本领s 。( e ) 和电子阻 止本领s 。( e ，) ，分别表示靶中原子核和电子对入射离子的阻止能力的大小。则 有 s = 百1 警 l b 。i l 。g e 一言i ( 1 8 ) ( 1 9 ) 以上两方程分别表示能量为e 。的一个入射离子，在单位体密度的靶内通过微分 厚度d x 时分别传给靶原子核和电子的能量。因此，对单个入射离子，在靶内单 位距离上损失的能量可表示为 一兰垒! 毫 盟= 瓯( 巨) + 墨( 巨) ( 1 - - 1 0 ) 令e - - e + e e 为入射离子在靶内x 处的能量，则 一掣；n r l 最( e ) + 足( e 1 ) 出 ”、”“”o 在非晶靶内，入射离子的能量降低到大约2 0 e v 时就会停止在靶中。入射 离子由进入靶到停止在某一位置所走过的路程，称为射程，用r 表示；射程r 在入射方向上的投影称为投影射程，用艮表示。如图l 一7 所示。若s 。( e ) 和 s 。( e 、) 已知，则 r n f 赢e l山只( ) + 墨( 巨) 在离子注入中，重要的是入射离子在非晶靶中的投影射程。 ( 1 一1 2 ) 核阻止本领的计算 在入射离子能量不是很高，核阻止本领计算取一级近似中，核阻止本领与 入射离子能量无关( 标准核阻止本领) 弘2 8 x l o - ”渤一m ，+ m z 卜儿 ( 1 一1 3 ) z 、z ：为注入离子和靶原子的原子序数，i 1 1 、m ：分别为注入离子和靶原子的原子 量。 久射 离1 ： 图l - 7 射程和投影射程 害 芝 电子阻止本领 电子阻止本领的计算要比核阻止本领的计算复杂的多，同时，也存在多种 模型，仅介绍l s s 理论模型。 据l s s 理论，固体中的电子可看作自由电子气，离子在其中运动受到的来 自电子的阻力与离子的速度成正比。l i n d h a r d 等人对电子阻止本领计算出，在 入射速度远小于玻耳速度时( 相当于自由电子气的费米能级的电子速度) ，则有 ( e ) ：群 式中f 与入射离子及靶才有关，对于非晶靶 删2 l o ” ( e y ) 佣2 l 、 j 4 ( 1 一1 4 ) ( 1 1 5 ) 则有 吣声2 2 x l o 南伽删。( i _ 1 6 ) 1 3 2 射程的近似估算 。 图l 一8 是s 。和s 。的值随入射离子能量变化的理论曲线 庸v 图l 一8s n 和s 的值随入射离子能量变化的理论曲线 ( 1 ) s 。( e 。) 和s 。( e ，) 的能量变化曲线总体相似，但极大值的位置不同。 前者在低能区( 已= 1 0 3 1 0 5 e v ) ；后者的最大值出现在高能区( e 。= l 矿1 0 8 e v ) 。 ( 2 )两曲线的交点为e c ，当入射离子能量e e ，称高能区，电子阻止占 优 势，则s ( e ) m s 。( e ，) ；当e 。t e ，称中能区，则s ( e ) 和s 。( e ，) 均重要。 通常离子注入能量不在高能区范围。 ( 3 ) 能量域值的计算： 由式( 1 一1 3 ) 和式( 1 1 4 ) 可求得 ( 拶= 譬。t 2 8 x 1 0 - i s 。赫群m i 矿卢”1 7 ) ( 4 ) 低能区射程估算 在低能区s 。( e 。) 可略去，s ( e ) t s 。( e 。) m s ，根据式( 1 - - 1 2 ) 、( 1 1 3 ) 可得在小角度散射占优势的情况下射程的估算公式 尺：一1 掣t + m 2 乓” 可以看出，在e 。远小于e c 情况下，射程r 和入射离子的能量几乎成正比， 即r e 。 ( 5 ) 高能区的射程估算 在高能区，s 。( e ) 可略去，s ( 巨) * 最( 乓) 。k 昂，所以 r = 专f 志z 去昂( 1 - - t 9 ) 离子注入关心的是投影射程艮。在低能区核阻止占优势的能量范围内有 旦：l + ! 堕 r 。 3j ，l l ( 1 2 0 ) 在n 1 b 时，近似性好些；当m l k 时，误差较大，但仍可进行估算。 1 3 3 射程的标准偏差 射程的标准偏差是衷征射程分粕的一个重要参量，其定义为射程的平均平 方涨落： 一a r 2 = r 面1 2 = 万一i 2 6 ( 1 2 1 ) 通常用歙z 表示鬲，所以 雠z ：雨一i 2( 1 2 2 ) 平均投影射程的标准偏差也是一个重要参量，它决定离子在靶中的浓度分 布的形式。 叫= 霹一万2 一般r p 及其偏差可以查阅有关表获得。 ( 1 2 3 ) 1 3 4 入射离子在非晶靶中的浓度分布 作为一级近似，入射离子在非晶靶中的浓度分布与入射离子在非晶靶中射 程分布相似，可用高斯函数表示如下： l r 卜r 。丫 i 圹彘e 1 剥 ( 1 2 4 ) 其中x 足离子入射深度，d 为注入剂量。浓度分布曲线如图l 一9 。 由图可见，浓度分布具有下列特点： 1 ) 在平均投影射程x = r p 处获得最高浓度分布 k 2 荔d 瓦她4 瓦d ( 1 - - 2 5 ) 最高浓度n 。与入射离子的注入剂量d 成正比。 2 ) 在平均投影射程两边，注入离子浓度呈对称下降，x - - 巳罄大，下降越 快。 1 7 口 ( 犀黜 图l 一9 注入离子在非晶靶中的浓度分布 1 4 单晶靶中的射程分布 1 4 1 沟道效应 单晶靶中的原子按一定的规则周期性重复排列成晶格点阵，而且晶格具有 一定的对称性，这就使得注入单晶靶中的离子所受阻力不是各向同性的，而是 与晶体的取向有关，离子沿不同方向入射单晶靶中，将会有不同的射程。图1 一l o 是单晶硅晶格不同取向的原子列排列情况。可以看到，在( 1 1 0 ) 晶向， 原子规则排列包围成直通道( 沟道) ，紧密排列的原子列构成沟道壁。当离子沿 ( 1 1 0 ) 晶向进入沟道时，其轨道将不再是无规则的，而是在沟道中运动。这种 情况下靶的阻止作用小而离子的射程大，即出现沟道效应。如果偏离( “o ) 晶 向8 。观察，则看到s i 原子杂乱排列，离子沿此方向注入时和注入非晶态硅靶 情况相似，不会出现沟遁效应，可以按l s s 理论进行射程估算。 鲻瓣 图1 - - 1 0 硅晶格的不同取向 1 8 。| i 一 一j， 一 一0，上 一 一爪 o 一0 - 一。一一e 一一e 一一电卜 罐子鲥 酉1 1 1 离子在沟道中运动 离子在沟道中的运动情况入图l l l 所示，离子以小角度1 l r 进入沟道，受 到沟道壁原子的碰撞。运用经典力学方法进行计算可以知道，离子在沟道中的 运动时一边沿沟道轴向前进，一边作横向的振荡。 沟道效应临界角 离子进入沟道中的入射角v 较大时，可能从沟道中逸出而退出沟道，因此， 存在一个沟道运动的临界角l l ，。，只有当离子入射角掣 v 。时才发生沟道效应。 1 4 2 单晶靶中