离子注入报告

离子注入报告摘要：离子注入技术是把掺杂剂的离子引入固体中的中一种材料改性的方法。由于离子注入具有纯净掺杂、大面积均匀注入、离子注入掺杂深度小、衬底温度可自由选择以及掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制等特点，注定了离子注入技术在半导体材料与器件方面有着重要的研究作用以及应用。简要介绍了离子注入技术的概念及基本特点。对离子注入基本原理及广泛应用做了详细阐述。一、 离子注入技术1.离子注入技术的概念离子注入技术是将某种元素的原子进行电离，并使离子在电场中进行加速，获得较高的动能后，射入固体材料表层，以改变这种材料表层的物理或化学性能的一种技术。离子注入技术最重要的应用领域是半导体掺杂，它是利用离子注入机将特定的杂质原子以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构。2.离子注入的基本特点纯净掺杂,离子注入是在真空系统中进行的,同时使用高分辨率的质量分析器,保证掺杂离子具有极高的纯度。掺杂离子浓度不受平 衡固溶度的限制。原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。对于那些常规方法不能掺杂的元素,离子注入技术也并不难实现。注入离子的浓度和深度分布精确可控。注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制。注入离 子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中是很有价值的。大面积均匀注入。离子注入系统中的 束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。离子注入掺杂深度小。一般在 1um以内。例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um。二、离子注入原理 1、离子注入：离子是一种离化的原子和分子，也称等离子体。它带有一定的电荷。可以用加速场进行加速，并借助于磁场来改变离子的运动方向。经加速的离子与固体靶面碰撞后。一部分注入固体中，一部分发生反射。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）。具有高能量的离子注入到固体靶面后，高能量的离子将与固体靶面的原子和电子进行多次碰撞，从而削弱粒子的能量，最终，能量被消耗完而停止运动，形成一定的杂质分布。注入杂质的深度分布和分布状态与射入时，所加的电场强度、粒子剂量、衬底晶向等有关。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度有杂质离子的数目（剂量）决定。一般情况下，杂质浓度最大值在距离表面0.1m, 注入杂质的深度分布接近于高斯分布，注入层和基体之间没有明显的界限，结合是极其紧密的。又因为注入层极薄，可以使被处理的样品或工件的基体的物理化学性能保持不变,外形尺寸不发生宏观的变化,适宜于作为一种最后的表面处理工艺。 同时，由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，退火有两种方式：根据注入的杂质数量不同，退火温度在450950之间，掺杂浓度大则退火温度高，反之则低。在退火的同时，掺入的杂质同时向硅体内进行再分布，如果需要，还要进行后续 的高温处理以获得所需的结深和分布。但是这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，高温过程也 可使过饱和的注入杂质失活。瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式，能满足超大规模集成电路对高浓度、浅PN结和很少侧向扩散的要求。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。2、离子注入设备原理离子注入机基本上具有离子源、质量分析器、加速聚焦器、注入系统和真空系统等几大主要部分。（如图1）离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；加速聚焦器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。图1图 1离子源离子源是产生掺杂离子和形成离子束的区域。离子源主要是利用电离作用形成正电荷离子。当电弧反应室外的吸极加有一定负电压时，正离子便会从等离子体中分离出来，离开电弧反应室，并形成具有一定能量的离子束。通常在电弧腔外还有一个可调电磁铁，用来增加电子在电弧腔中的平均自由路径，使电子和杂质气体碰撞的几率增多从而更容易产生更多离子。分析磁场分析磁场是离子注入机中对离子筛选的主要部件，主要由一段弧形的真空腔体和上下一对磁铁组成。当带电离子被吸极电场加速后会获得一定的能量，由于离子注入机的设计尺寸通常都是固定的，所以大都是采用调节磁场强度的方法来进行离子的选择。混合的粒子束进入磁场以后发生偏转，能质积与电荷的比值大的离子会轰击到分析磁场的外壁，而小的离子会轰击到内壁，只有比值恰好符合设定的所需子才会顺利通过这一区域，加速和聚焦在通过分析磁铁后，离子可以再次获得另外一段加速或减速，通常称之为“后加速/ 减速”。离子注入设备的常用后加速方式有直流和交流两种。离子束的聚焦通常也在加速过程中进行。主要是为了避免离子束在运动的路径中因为自身正离子的相互排斥造成离子束的发散而损失一部分电流。另外也是为了使离子束能均匀的分布于硅片表面。离子束的聚焦器一般由一对或几对同电位极板组成，通过加载一定的电压来调节离子束的聚集效果。真空系统离子注入设备的内部腔体被维持在极低的真空状态，一般的腔体内部压力都小于5*10-7 Torr。其目的是为了使离子束从电离产生到最后的扫描注入都不会受空间中其它粒子的干扰。离子注入设备的真空系统通常由干泵，分子泵和冷泵组成。三、离子注入的广泛应用离子注入技术有着广泛的应用。（1）离子注入是半导体工业技术基础之一。用于实现集成电路和其他半导体器件的掺杂、SOI等。（2）离子注入在金属表面改性方面有广泛应用。通过离子注入，降低金属的摩擦系数，提高金属的耐磨性、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳能力。（3）离子注入可以用于生物工程领域。通过注入离子和生物体的相互作用实现诱变育种、细胞加工和基因转移等。具有生理损伤小、突变谱广、突变频率高，具有一定的重复性和方向性等优点。（4）离子注入是研究表面物理和非晶态特性的一种重要工具。（5）其它：陶瓷、玻璃、晶体、聚合物等材料的表面改性等。下面具体介绍一下离子注入在半导体领域、金属表面改性方面和生物工程领域的应用。1离子注入在半导体领域的应用离子注入首先是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来的，它所取得的成功是其优越性的最好例证。随着离子注入设备的发展，离子注入技术在集成电路中发展最快。由于离子注入技术具有很好可控性和重复性，这样设计者就可根据电路或器件参数的要求，设计出理想的杂质分布，并用离子注入技术实现这种分布。离子注入技术在半导体器件制造中的具体应用如（1）栅阀值调整（Threshold Adjust）,Halo 注入等；（2）源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。（3）N/P井的形成,倒掺杂井（retrograde well）等。低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好这些优点，使得经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路具有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。对于大规模、超大规模集成电路来说，离子注入更是一种理想的掺杂工艺。如前所述，离子注入层是极薄的，同时，离子束的直进性保证注入的离子几乎是垂直地向内掺杂，横向扩散极其微小，这样就有可能使电路的线条更加纤细，线条间距进一步缩短，从而大大提高集成度。此外,离子注入技术的高精度和高均匀性,可以大幅度提高集成电路的成品率。随着工艺上和理论上的日益完善，离子注入已经成为半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一。在制造半导体器件和集成电路的生产线上，已经广泛地配备了离子注入机。2离子注入在金属表面改性方面的应用1现代科技的高速发展,对金属材料表面性能(抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳等) 的要求日益提高,特别是高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求,广泛采用最近发展的金属表面处理技术(抛光、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、汽相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术) 虽然在各自领域发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和局限性,因而使得离子注入技术应运而生。离子注入在金属表面改性方面有一下几个应用。2.1提高表面硬度和强度强度和硬度是金属表面改性的重要研究参数。大量的实验和研究表明： 离子注入可以不同程度的提高金属材料表面的强度和硬度；金属表面的硬度和强度随着注入剂量的增加而增加。当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时，可在金属中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相和超硬相，在近表面形成TiCTiN，Fe 2Ti，Fe2N和Fe2C，表面洛氏硬度得到提高；苗伟等将Z r和v离子注入膜可在膜表面层形成金属间化合物DO23一A13Z r ，Li2一A13Zr ，A1l0V和A13V，注入剂量分别为51017 ionscm 2和 31017 ionscm2时，使Al表面的硬度和弹性模量明显提高。2.2 提高抗磨损、抗腐蚀、抗氧化及抗疲劳能力3,4 常采用 N、Cr 、Te 、Mo 等离子注入来提高金属材料的耐磨性和铁合金的表面力学性能；用Ti +N或Mo +N注入9Crl8试样获得了更高的显微硬度和更好的耐磨性。Ti和 Ti +Y离子注入均可使65钢表面硬度和耐磨性显著提高；不锈钢表面在注入N后，表面形成N相，硬度和耐磨性有很大提高，不锈钢同时注入Cr、N耐蚀性明显改善，杨建华等利用T i、N i离子注入铝表面， 注入剂量分别为 151 018cm -2和 61 017cm-2，形成 Al3Ti、NiTi、A12O3等合金层，其中Ti铝中产生2 0原子数分数，其深度高达7000，磨损率明显降低，H13钢塑料模具注入N离子后，耐磨性和耐腐蚀性提高，注入铝离子钢的抗氧化性提高。23 降低摩擦系数 摩擦系数是金属表面性能的一个重要指标，它是描述物体之间相对运动或有相对运动的趋势时产生的一种现象。实验表明： 摩擦系数的增减与注入离子的种类有关；增减幅度与注入离子的剂量和能量有关。早在1984年， Follstaedt等将氮离子注入钛合金(Ti- 6Al-4 V )发现,注入能量为200 keV、注入剂量为381017ions cm2 情况下，由于形成TiN等硬质合金相， 距表层20nm处硬度提高达200、距表层100nm处硬度提高达100，摩擦系数从0.48降到0.15 ,磨损率下降两个数量级，现已广泛应用于钛合金人造关节的表面改性上；张通和等研究发现，C0和Ti离子注入有很好的润滑作用，可使钢表面的摩擦系数下降6 5，并能提高HSS钢表面的韧性和弹性，使其具有很好的自修复能力。结果表明，大注入剂量，高注入能量和高靶温的效果更明显，双注入好于单注入。 3离子注入在生物工程领域的应用生物离子注入技术是具有中国自主知识产权的原始创新生物品种改良技术。它的基本原理是利用低能离子与生物体作用产生辐射损伤，从而诱导产生可遗传变异。低能离子注入与射线及宇宙射线育种等都属于辐射生物技术，但它和后二者的主要区别在于，在诱变的过程中，不仅离子束的能量对生物体具有重要作用，而且离子本身最终会停留在生物体内对其变异产生影响。低能离子注入技术具有生理损伤小、突变谱广、突变频率高等优点，并具有一定的重复性和方向性。同时，由于它的刻蚀和沉积作用，也可用于转基因介导。31低能离子束产生的生物学效应2 （1）表型效应 载能离子产生的微观损伤通过不可的生物放大过程产生宏观表型效应。一般低剂量产生刺激效应，高剂量引起抑制效应。受到适量低能离子注入的植物表现出发芽率提高 、生长势旺盛 、当代植株新陈代谢活跃、营养生长良好等优势特征。科研人员还发现,不同于其他射线辐照育种中的指数衰减存活曲线,低能离子注入剂量与生物存活的关系呈现先降后升再降的马鞍形曲线 。 （2）细胞效应低能离子注入可造成细胞有丝分裂过程中细胞形体以及中后期数目、 微管骨架的异常变化，促使染色体初、高级结构变异等。其中染色体畸变的频率和类型数目与注入剂量成正比。 （3）生化效应低能离子注入可影响植物体内过氧化物酶、淀粉酶、同工酶等诸多酶的合成及活性。其剂量对不同酶可产生不同的影响，并且与植物的种类有关 。 （4）遗传效应离子注入产生的突变多为表性明显变异，有多发性和重现性等特点，并且在植株生长发育过程中表现分离、重组、连锁和交换等遗传现象。离子注入当代即可频繁出现可遗传有益变异，结合选用植物较大的繁殖系数， 当代即可用于生产。离子注入还可打破植物杂交的不亲和性。如N 注入小麦，可克服由于远缘杂交的不亲和性造成的结实率低下；用He离子束辐照栽培种的花粉给野生种授粉，杂交结实率为 1.1 ,相比射线辐照的结实率提高了30倍。 四、离子注入技术展望离子注入改性技术主要不足之处在于：（1）注入层不深，仅数百纳米；（2）离子注入是射线过程，对型腔复杂的模具的注入有一定的难度；（3）目前注入机主要为氮注入机，注入元素的选择性受限制，设备容量小，处理成本高。离子注入技术的发展，正是在不断克服自身缺点的过程中逐步前进的。纵观10年多来发展历程，可以看出如下趋势：4.1开发多元素离子注入和大数流注入技术目前国内外在运转中的注入机多数仍为氮注入机。氮注入机结构简单，运行成本低。许多研究和应用已经证明，通过注入N就可以改善多种金属的磨损行为。为了满足不同工模具的多样性要求，获得更好的改性效果，研发包括金属元素离子注入的多元素注