粒子同固体相互作用物理学-第1章2016

1、粒子同固体相互作用物理学粒子同固体相互作用物理学 第一章 绪论 1.1 引言引言l100年前的一个著名物理实验：l大家都学过物理，都知道这么这么一件事情：a离子轰击金箔，观察到背散射的现象，从而证实了原子核的存在，并由此建立了原子的有核结构模型，为微观世界的研究揭开了序幕。l可以这么说，带电粒子同物质相互作用的研究，揭开了原子世界的奥秘，为近代物理学奠定了基础。 人们对微观世界层次（也就是原子核内部和基本离子）的认识也是以此为开端。近代物理学上的许多重大成就，包括上面提到的卢瑟福背散射实验，都是从研究带电粒子的行为获得的。所以说带电粒子同物质相互作用的研究对近现代科学的发展功勋卓著。l时至今日

2、，前一类加速器越造越大，粒子速度也就是能量越来越高。l中科院高能所的电子对撞机：几百米；l欧洲：欧洲大型强子对撞机是世界最大的粒子加速器，建于瑞士和法国交界地区地下米深处、总长大约公里的环形隧道内，开足马力的对撞机能够确保数万亿粒子高速流过将近公里长的地下隧道，最高速度接近每秒万公里，相当于光速的。这时质子束每秒可在隧道内狂飙圈，单束能量达到万亿电子伏特，主要用于研究宇宙起源和各种基本粒子特性。）为什么要用粒子束流技术？为什么要用粒子束流技术？中国的四大科学装置中国的四大科学装置l高能所粒子对撞机l上海同步辐射光源l合肥同步辐射光源l兰州重离子加速器l所以继卢瑟福之后，高能物理学家们能采用更高

3、能量的粒子束去轰击靶材，或与另一粒子束相撞，从粒子束的散射研究中来探索有关基本粒子结构的信息。这反映了问题的一个方面，即基础研究越来越深入到微观世界更细微的层次。这到今天还远没有停止。l在向物质世界更微观层次进军的同时，在另一方面，昔日的基础研究不断向应用研究转化，促进一系列小型化、低能量、但有更大束流强度、更好的工业实用性的粒子加速器的出现和发展。北京师范大学核科学与技术学院的离子束加工设备北京师范大学核科学与技术学院的离子束加工设备l原子核物理学家和其他领域的科学家们结合起来，利用核物理和小型粒子加速器这一工具，向原子分子物理，固体物理、材料科学、以及化学、生物学和医学、甚至艺术和考古学等

4、方面渗透和发展，目前可以说绝大多数的低能加速器的研究重点已从核物理本身转移到与这些学科的交叉融合中。在这个过程中，不仅大大地促进了这些学科的发展和进化，形成了一些生命力很强的交叉学科，而且把这些由实验核物理发展起来的现代科学技术直接为人类生产和生活服务，进一步推动现代科技的发展和跟新换代。l例如：原始的卢瑟福背散射技术已成为表征固体材料的一种标准方法，可以用来测定固体物质的成分，可以用来测定杂质原子在各种材料、尤其是半导体中的分布；同时还有其它一系列的建立在带电粒子与固体相互作用基础上的高灵敏和高效率的微探针等离子束分析方法，已广泛应用于各个科学技术领域。l而应用高压倍加器及其它低能加速器发展

5、起来的离子注入技术更是在最近的半个世纪以来，推动了人类历史上最显著的的一次技术革命。指的就是半个世纪以来高速发展的半导体和集成电路技术乃至计算机革命。当然不是说离子注入技术是这些技术革命的唯一推动力，但离开了被称作三束技术的离子束、电子束和光子束，根本不可想象半导体生产还能进入到今天的超大规模集成电路新时代，更别提现在日新月异的计算机和手机。l除了在半导体技术上的成就，离子束技术的另一样显著成就是在固体材料表面改性方面的大量应用。l而研究以上这些低能离子束应用的学科正是这一门介于核物理与固体物理、材料物理之间的交叉学科带电粒子与固体的相互作用。l所以，带电粒子同固体相互作用物理学就是一门原子核

6、物理和固态物理相互渗透的边沿学科，也是理论和实验密切结合的较新学科。它的发展和应用不仅为研究固态物质结构和特点提供了强有力的工具，而且为工业、农业、国防、现代科学技术以及人们生活提供更多更好的新型材料和高科技产品。l附：百度词条：低能加速器的应用l 低能加速器的应用是核技术应用领域的重要分支，当前，在世界各地运行着的数千台加速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌，创造了巨大的经济效益和社会效益。加速器在工业中的应用加速器在工业中的应用1）辐照加工l应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食

7、品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。l经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为6070，辐照后长期使用温度可达120以上。当前，中国已有用加速器进行辐照加工的生产线40多条。2）无损检测l无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤

8、法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co60产生的射线、X光机产生的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。l射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种：la、射线照相法l这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射线接受器是X光胶片。探伤时，将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件

9、背后，用X射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。lb、辐射成像法l这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。lc、工业CTl与医用CT原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发

10、动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。3）离子注入l利用加速器将一定能量的离子注入到固体材料的表层，可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。中国现拥有各类离子注入机100多台。其中中国自己累计生产出140多台离子注入机，能量为150KeV600KeV（1KeV=1103eV），流强为0.5mA到十几mA。加速器在农业中的应用加速器在农业中的应用l作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用

11、，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面：l1）辐照育种l加速器在辐照育种中的应用，主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等，改变农作物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种，在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。l2）辐照保鲜l辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后，发展起来的一种新保鲜技术。例如，对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理，可抑制其发芽，延长贮存期；对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过

12、辐照处理，可延长供应期和货架期。l3）辐照杀虫、灭菌l当前，在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法，由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因，根据蒙特利尔公约，到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌，这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失，而且可提高食品的卫生档次和附加值。l加速器在医疗卫生中的应用加速器在医疗卫生中的应用l随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用

13、促进了医学的发展和人类寿命的延长。当前，加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。l1） 放射治疗l用于恶性肿瘤放射治疗（简称放疗）的医用加速器是当今世界范围内，在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。l用于放疗的加速器由50年代的感应加速器，到60年代发展了医用电子回旋加速器，进入70年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。当前，世界上约有3000多台医用电子直线加速器装备在世界各地的医院里。l除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外，还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和介子放疗等，这些治癌方法还

14、处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。l利用电子直线加速器开展立体定向放疗，俗称X刀，是数年来发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比，可多保护15%20%的正常组织，而肿瘤增加20%40%的剂量，可更有效地杀灭癌细胞，从而增加放疗疗效。l60年代中国医院装备了医用感应加速器，70年代中期医用电子直线加速器开始装备中国各地医院。截止到2000年初，中国已拥有各种能量的医用加速器约530台，其中国产医用加速器约230台，进口医用加速器约300台。l2）医用同位素生产l现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤

15、，如今已确定为临床应用的约80种同位素，其中有2/3是由加速器生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面：la、正电子与单光子发射计算机断层扫描PET与SPECTlPET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如15O仅为123秒，一般为几分钟到1小时左右。所以，这种加速器一般装备在使用PET的医院里。生产PET专用短寿命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了众

16、多的加速器生产厂开发研制。当前，国外几个加速器生产厂家生产的小回旋加速器已达到几十台。lb、图像获取l利用放射性核素进行闪烁扫描或利用照相获取图像的方法，可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如201Tl用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是当前最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。l3）辐照消毒l利用加速器对医用器械、一次性医用物品、疫苗、抗生素、中成药的灭菌消毒是加速器在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与前面介绍加速器在食品中的杀虫、灭菌道理一样，可取代当前应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂

17、量要大于杀虫所需的剂量。1.2 粒子与固体相互作用物理学讨论范围粒子与固体相互作用物理学讨论范围l粒子（微观粒子） 带电粒子：电子、质子、质量不等的各种离子、带电的基本粒子 中性粒子：原子、中子、中性介子和中微子等 粒子与固体相互作用物理学是讨论一束质量为M1,电荷为Z1e的带电粒子（有时也叫投射体，通俗点的叫法还称为子弹）以速度v打到一片含有原子序数为Z2和质量为M2的固态物质（有时也叫基体，或靶）上，所发生的相互作用现象和物理过程。研究对象：1、带电的入射粒子，不包括中性粒子2、固态靶物质可以是由单元素原子构成，也可以是由单元素原子、甚至是分子、高分子（如聚合物）的形式存在。3、相互作用现

18、象和物理过程：包括碰撞、散射、慢化、移位、激发和电离、损伤、能量淀积、粒子射程与分布、溅射效应、沟道效应、增强扩散效应等，但不包括入射粒子同靶原子核之间发生核反应这类现象和过程。1.3 什么是离子束技术？什么是离子束技术？本节目的：明确一下，什么是离子束技术？离子束技术都包括些什么内容？ l离子束利用特定的设备产生，并经过引出、加速过程而形成的具有一定能量（一般是几百eVMeV范围）的载能带电粒子流。l离子束技术包括离子束的产生技术及应用技术。l离子束的产生技术包括离子源及注入机技术。应用技术包括：应用技术包括：l离子注入技术（Ion implantation）l离子束沉积（IBDIon Be

19、am Depositon）l离子束辅助沉积（IBADIon Beam Assisted Depositon）l离子束溅射（IBSIon Beam Sputtering）l离子束混合（IBMIon Beam Mixing）l离子束分析（IBAIon Beam Analysis）离子注入技术（离子注入技术（Ion implantation）l离子注入指的是能量在keVMeV范围内的离子束经过与固态基体原子的碰撞而逐渐损失能量，最终导入并停留在基体表面层内的过程。 l离子注入示意图 在所有离子束技术中，离子注入，是被研究得最多、理论体系最丰富、应用也最广的一部分，也是我们这门课的主要部分。自二十世纪

20、六十年代以来，它被广泛地用于超大规模集成电路的研究与生产，化合物半导体的研究，金属材料表面改性的研究，以及光学材料、超导材料和磁性材料的研究中，在国防、国民经济和科学研究中都起到了重要作用。l关键词： 反冲 移位 级联碰撞 射程离子束沉积(IBD)：l离子源产生大量的碳离子，并通过电磁场加速使碳离子直接沉积于基体表面形成DLC膜l离子能量多在几百eVl离子束沉积指的是能量较低的离子在到达靶材料表面时不注入到表面层里面，而是直接沉积在表面上形成一层均匀的膜。我们可以根据需要控制离子束的剂量以获得需要的膜厚。l如果是两个不同的离子源化合物膜离子束辅助沉积离子束辅助沉积(IBAD)l离子束辅助沉积也

21、叫离子束增强沉积。l利用电子束或激光束或常规真空蒸发起来的原子或原子团沉积到基体表面形成膜。在成膜的同时,用离子束对正在生长的膜层进行轰击(即：蒸发+离子束轰击)。 改善微观结构，使沉积的膜致密化(这就像把刚铺的路面夯实一样)。l同时，部分沉积的原子被碰撞获得能量后反冲注入到基体表面，在沉积膜和基体之间形成过渡到合金层或化合层，从而增强膜和基体之间的附着力。离子能量：几十1500ev离子束溅射薄膜沉积（离子束溅射薄膜沉积（IBSD）l离子束溅射则是利用离子束轰击过程中在靶材表面产生溅射效应去达到某些特定目的的技术。lIBSD是利用离子束溅射的最有代表性的技术lIBAD和IBSD的结合 何谓离子

22、束混合何谓离子束混合（IBMIon Beam Mixing） l离子束混合是指离子束引起界面反应和原子混合的现象。快速离子轰击不同元素的层状薄膜系统，引起了原子移位，原子移位可能导致原子在固体中的输运。现有研究表明，这个输运可以通过反冲注入，级联碰撞以及辐射增强扩散等过程，使固体中的原子从原始位置传输到一定的距离，导致原子混合。l例如：在基片表面先沉积一层（膜厚1000）或几层（每层小于150）不同物质的膜（总厚小于 1000），用高能重离子轰击膜层，使膜与基片表面混合，或多层膜之间混合，形成新的表面材料层。l对离子束的要求：离子能量尽量高（200300keV以上）较重的惰性气体离子，如Arl

23、特点：获得常规冶金方法得不到新材料。 比离子注入法更经济离子束分析离子束分析（IBAIon Beam Analysis）l顾名思义，就是利用离子束作为手段和工具，达到分析固体材料组分结构等信息的目的。1.4离子束技术的发展历史离子束技术的发展历史l离子束技术最早主要是应用于半导体领域，可以说是应半导体技术的需要而发展起来的一门新技术。l1952年，也就是晶体管发明后第四年，美国贝尔实验室已经开始研究用离子束轰击技术来改善半导体特性。在半导体表面用H+离子轰击形成p-n结，做成了具有短波长响应的太阳能电池。l1954年，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件，并且预见到采用这种方

24、法可以制造基区很薄的高频晶体管。l但是，当时人们对于p-n结形成的机理却不清楚，所以这一新技术没有得到人们的足够重视。l随着原子能技术和宇宙探索技术的发展，以及对于离子束及其对固体物质轰击效应的研究，离子轰击对半导体材料的损伤以及通过退火消除损伤等基本工艺的研究和产生，同时随着强离子束设备的出现等，为离子束技术的发展奠定了基础。l与此同时，也就是在50年代末，60年代初，由于宇宙航行、军事电子对抗和各种功能的电子计算机的发展，对半导体器件和电路的生产提出了更高的性能要求（体积要更小，电路集成度要更高，更利于携带和运输，速度要求更快，性能要求更可靠等）。这样一来，原有的生产工艺已经不能满足这些要

25、求，限制了半导体性能的进一步提高。离子注入技术，则正是为适应这种需要而发展起来的一种半导体掺杂新工艺。我们来看看我们来看看原有的扩散掺杂工艺原有的扩散掺杂工艺： 二极管： 1200高温扩散，难以精确控制，不同批次的器件，性能很难 完全相同 三极管： 精确度更不好控制l如果集成度变高，管子变小，这种不确定性的影响将更大。三极管芯结构剖面图三极管芯结构剖面图离子注入的特点离子注入的特点l可以独立控制杂质分布（离子能量） 和杂质浓度（离子流密度和注入时间）l各向异性掺杂l容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如P和As等）。 离子注入a)低掺杂浓度 (n, p) 和浅结深 (xj)掩蔽层掩蔽层硅

26、衬底xj低能量低浓度快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机b)高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结 深(xj)束扫描高能量高浓度慢速扫描掩蔽层掩蔽层硅衬底xj离子注入机控制杂质浓度和深度控制杂质浓度和深度离子注入与扩散的比较离子注入与扩散的比较l无论是掺杂的浓度，还是深度，还是侧向的扩散问题，它们的可控性都要极大地好于扩散工艺。扩散离子注入高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜室温或低于400各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度发展历史发展历史l于是，在六十年代，离子注入技术又再度兴起。l这时，Lindhard，Scharff和Schiott发表了“射程概念和重离子射程

27、射程概念和重离子射程”的重要论文，提出了无定形靶离子注入射程分布的理论了无定形靶离子注入射程分布的理论，这就是著名的LSS理论理论，这时迄今为止离子注入领域最为基本，也是最为重要的理论之一。这个理论也是我们这个课程学习中极为重要的一部分内容。随后，Davies用实验证实了这一理论在实际应用方面的指导意义。l1961年，第一个实用的离子注入器件离子注入硅离子探测器问世，其性能丝毫不逊色于常规工艺制造的同类器件。在当时，这一事实雄辩地说明，离子注入技术具有深远的工业生产意义。l1963年，Macaldin在硅片中注入了高浓度的铯离子，形成了p-n结，说明热扩散不易掺进的杂质，也能用离子注入技术掺进

28、半导体材料中，进一步证实了离子注入技术的优越性。l从此，用离子注入技术陆续制成了许多不同类型的半导体器件，作为注入设备的加速器技术也不断发展，与此同时，离子与固体相互作用的基本理论和离子注入基本工艺的研究也有了更大的进展。 发展历史发展历史l在七十年代，Winterbon，Sigmund和Sanders三人将Lindhard的射程分布的理论方法，推广和应用到能量沉积分布中，形成了能量沉积分布理论，也成为WSS理论，这也是一个重要的基本理论。l1972年以后，离子注入在MOS集成电路中成功地被用来调整阀值电压，以便降低电路的功耗，或者是增加电路的可靠性，并且利用离子注入降低了极间潜布电容，提高了

29、电路的速度。l再往后，离子注入技术被更加普遍地应用于半导体和微电子工业的生产和研究上，研究范围越来越广泛、深入，电路的集成度，速度和寿命得到了大大的提高，而电路的功耗却大为下降。l1977年以后，又用离子注入研制出比硅集成电路速度更高的GaAs高速集成电路，同时，离子注入集成光路的研究也取得了重要进展，促进了光电技术的发展。发展历史发展历史l超大规模集成电路在这期间得到了飞速发展。 60年代 92年 （ 一个芯片上的管子数的变化， 摩尔定律） 1K 500M （3个月芯片管子数翻一番）l从早期的286计算机到今天咱们能享用高性能的笔记本电脑，离开离子注入技术这一切都是不可想象的。现在，太空里飞

30、的飞船、卫星，到日常所用的电视机，洗衣机，手机，相机，眼镜等，哪里都能找到离子束技术的影子。发展历史发展历史l前面主要说的是基本理论和在半导体器件和微电子中作为微细加工技术的发展历史。离子束技术的另一个重要应用领域离子束材料改性，则起源于60年代末70年代初，到70年代中后期，英国哈威尔原子能研究中心研制出强束流氮离子注入机，使得离子束材料改性开始走向一定规模的工业生产阶段。l80年代初，离子束混合技术的出现，对离子束冶金学的发展做出了贡献，制备出了大量的亚稳态合金相。l80年代中期，金属蒸发真空弧离子源（MEVVA）和其他一些金属离子源的问世，为离子束材料改性和相关的基础研究提供了更先进的工

31、具，并且在工业上也取得了重要进展。（低能所的一些工作）发展历史发展历史l与此同时，为克服注入层浅的问题，人们又开始广泛研究离子束辅助沉积技术。这项技术被广泛用于电子材料领域和人工关节改性等医学领域。l离子束技术还用在其他许多领域，如SOI材料，硅化物材料，离子束分析，刻蚀，清洗等，都有显著的发展。l总之，离子束技术发展时间虽不长，但取得了丰硕的成果，在国民经济和国防上都起着非常重要的作用。l同时，纵观这一学科领域的发展历史，也印证了前面提过的一句话，就是这一学科从一开始就是理论和实验结合并且应用性很强的学科。1.5离子束技术的主要应用简介离子束技术的主要应用简介一、微电子工业一、微电子工业 半

32、导体器件与集成电路 1.表面精细掺杂工艺大规模集成电路微细加工的支柱技术之一。精细调节注入离子的能量和剂量可精确控制掺杂温度和掺杂量。l实现精细掺杂的两个突破： 掺杂结深和线宽均小于1m，称为亚微米掺杂。半导体器件最细线：1m 0.3-0.5m 0.25m 0.18m 0.1m 纳米级 90年代初 90年代末 掺杂的浓度低到51015/cm311016/cm3的数量，l刚刚补偿掉硅本征载流子浓度，这在MOS电路中调整阀值是非常成功，非常重要的。u集成电路功耗大幅度下降，集成规模迅速增大。u这是微电子生产线上的常规工艺，也是不可或缺的重要工艺。2.制备电路中的级间的互连、引线及欧姆接触材料。 离

33、子束溅射沉积+退火 金属离子束直接注入+退火3.SOI材料 二十一世纪，超大规模集成电路的替代材料，单晶硅下SiO2埋层。 注入O+ 氧化注入H智能剥离4.离子束光刻5.聚焦离子束超精细加工，局部加工、修复（小手术刀）二、离子束材料表面改性二、离子束材料表面改性离子束冶金学离子束冶金学 1.抗磨损（提高硬度降低摩擦）：钢铁（各种金属及合金）机械零件、工具、模具、轴承、汽车、飞机、卫星、机床等。l合金的冶炼：传统意义上的工艺炒菜式的。局限：固溶度限制，无法或不易合成，不稳定易分解。l离子束冶金没有这个局限，但只能在表面层材料表面改性（表面层有表面层的好处） 医学上：医用人工关节表面注入或镀膜，假

34、牙（钛合金为主）2.抗腐蚀：钢铁、合金海军飞机零件、机械零件、人工关节、榨果汁（饮料业）3.抗氧化：各种轴承，机械零件、飞机发动机喷口4.抗冲击：模具（冲压成型）5.耐热：飞机和汽车发动机排气管。6.增加韧性：陶瓷7.光学材料：改变折射率、改变光运行路线、光集成电路8.超导：改变成分配比三、离子束分析l卢瑟福背散射（RBSRutherford Back Sputtering）分析材料中组分的浓度深度分布。l弹性反冲粒子探测技术（ERDElastic Recoil Detection）同上l沟道谱分析晶体晶格损伤l二次离子质谱（SIMSSecondary Ion Mass Spectrometr

35、y） 杂质深度剖面分析l质子荧光分析（PIXE）表面杂质含量四、离子束生物工程：花卉、农作物（甜菊、紫玉米、大豆等）育种，微生物改性，重离子治癌等五、薄膜：离子束沉积（气敏膜等功能薄膜、类金刚石薄膜、陶瓷如TiN薄膜），辅助沉积，溅射沉积六、其他：如清洗（使材料表面洁净），减薄，刻蚀等1.6 离子注入机简介离子注入机简介 l离子注入机的基本组成部分有：离子源、聚焦系统、加速系统、分析磁铁、扫描装置和靶室。 用于离化杂质、产生离子的装置用于离化杂质、产生离子的装置。不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂

36、质离子，且离子束分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。很纯。 为高压静电场，用来对离子束加速。为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。使离子束沿使离子束沿 x、y 方向扫描。方向扫描。放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。离子注入机结构示意框图离子注入机结构示意框图离子源分析系统加速系统聚焦扫描靶室电源真空冷却控制测量一、离子源

37、简介一、离子源简介l一切原子是呈电中性的。l当原子核外层电子被剥掉一个或几个后，原子即变成带有一个或几个正电荷的离子。l当代物理学家或工业应用领域兴趣之所在，并不是单个的离子，而是由很多离子形成的离子束。l自从人们认识原子核结构后，就有了“人工制造”离子束(有时称离子束为束流)的想法，这种产生离子束的装置叫离子源。l离子源就像一个喷泉，通过某种机制，源源不断地喷射出具有一定能量和品质的带电粒子束。l离子源首先通过某种机制，在一个真空容器(称为电离室)内使电子从原子中剥离出来形成由离子和电子组成的一种“电离气体”，这种“电离气体”中充满了带正电荷的离子和带负电荷的电子，但总体上说，正电荷的总量和

38、负电荷的总量是相抵消的，这种电离气体基本上呈电中性，我们称这种电离气体为等离子体。使原子电离的机制有很多，最常见常用的机制如右图所示。l一般在电离室外围，都附加有磁场，磁场具有一定的分布形式，通过磁场约束等离子体迫使等离子体中的电子按一定规律运动，以使电子具有较长时间的寿命，有机会与更多的原子或离于碰撞、电离，产生更多的离子或产生更高电荷态的离子。l如果在电离室上施加一正高压，在与之隔离的另一端通过一电极接地或加一负电压，在电离室和电极之间便形成了电场，即电离室和电离室内的等离子体处于高电位，电极处于低电位，在这样的电场作用下，等离子体中带正电荷的离子就会从高电位“跑向”低电位，通过孔或狭缝源

39、源不断地喷射出来，形成离子束离子束所具有的能量取决于施加在电离室上的高压。l引出离子束束流强度的大小与等离子体中电子和离子的密度及温度(即热运动的能量）、电离室外施加的磁场分布、放电机制、电离室内的工作气压、引出孔或缝的大小、施加的高压、引出电极的形状等诸多因素有关。离子源中离子的电荷态主要取决于等离子体中电子的能量、离子的寿命和等离子体的密度。l可以说，一台离子源的性能根本上是由电离室内等离子体的性能决定。l等离子体的性能与下列因素密切相关：产生等离子体的放电机制；其中的原子物理过程；周围的磁场和电势分布；放电室表面状况及伴随所发生的相关效应；放电室内工作气压；为加工离子源所涉及到的尖端技术

40、和工艺。l离子源是离子注入机最主要的部件之一。它决定了离子注入机所能提供的注入元素，也决定了这种离子注入机的用途。l早在19世纪末，就出现了利用气体放电的原理产生离子的离子源，然而，直到20世纪30年代，才开始发展真正高性能的离子源。l到了50年代，在核物理研究和加速器发展的推动下，离子源发展极为迅速，这期间发明了许多不同种类的离子源，但主要是以产生单电荷态离子为主（即只能剥掉原子核外层一个电子）。l60年代后，多电荷态(原子核外层多个电子被剥掉)离子源成为离子源发展的新宠，开始主要是为满足重离子物理研究的需要。对多电荷态离子源发展起革命性影响的是70年代诞生的电子回旋共振(electron

41、cyclotron resonance)离子源（简称ECR源），和80年代诞生的金属蒸气真空弧离子源（简称MEVVA源）。几种常见离子源简介几种常见离子源简介1、双等离子体离子源 这种离子源的原理图如此图所示，将所需注入的气体原子或固体经气化的原子通入放电室，使放电室内保持一定气压，大约是1.0Pa。电子从加热到白炽状态的阴极上发射出来，在起弧电场的作用下获得足够的能量，与放电室内气体原子碰撞，结果引起原子激发和电离。等离子体在中间电极锥形口处受电场的约束是浓度增加，形成所谓的等离子体泡。由于中间电极是锥形体，且在电极外有105106A/m的非均匀磁场，这对等离子体有压缩作用。因此锥形体口处电

42、离密度将比等离子体泡处大得多，这时在引出极加上负电压就可引出等离子束。l2、高频放电离子源 其结构图如图所示，将所需引出的气体原子或金属蒸汽通入石英放电室，室内气压为1.0Pa，在放电室外有一高频线圈，使放电室内保持10100MHz的高频磁场，从而导致放电室气体电离，放电室顶端是阳极，阳极上加3KV的正电压，在放电室下部有一小孔（1mm）为引出电极。当放电室放电形成等离子体后，在阳极上加正电压，从而使等离子体中的正离子从引出电极小孔中引出而形成离子束。几种常见离子源简介几种常见离子源简介3、潘宁离子源 其结构如图所示，放电室由阳极A、阴极C1和对阴极C2组成。阴极和对阴极处在同电位。阳极为一圆

43、筒，从阴极C1上发射的电子，在电场区受到加速，由于阳极筒外有轴向强磁场存在，使电子能螺旋运动到对阴极C2上去，而当电子接近C2时，它又受到C2电压的反向加速而被反射回来，重新向C1运动。这样，电子在阴极和对阴极之间来回做螺旋运动，从而增加了电子与放电室内气体原子的碰撞几率，得到高密度的等离子体，等离子体中的正离子从对阴极孔中引出而成为离子束。几种常见离子源简介几种常见离子源简介4、弗里曼离子源 其结构如图所示，气体或蒸汽进入到石墨放电室内，放电室中心有一钨丝（1mm）做阴极，与阴 极 平 行 开 着 一 长 孔 缝（140mm）作为引出极，放电室外部有一磁场起着辅助电离作用，当钨丝加热时，大量

44、的电子从钨丝上奔向石墨阳极，从而将放电室内气体电离，在引出孔外，有一加负电位的引出极，它将正离子从放电室中引出而形成离子束。 几种常见离子源几种常见离子源5、微波离子源 微波离子源的原理是靠微波加速放电室内的电子，使电子获得高能量。在放电室外安置磁场以增加电子回旋路程，从而增加等离子电离度。电离时气压可低到10-110-2Pa，这是该离子源的一个特点。由于电离度高可使氩离子束达到200mA，氧离子束能达到110mA。因此它很适用于氧注入硅形成SOI材料的强流氧离子注入机。 低能所用于研究SOI材料制造的氧离子注入机采用的就是俄罗斯生产的微波离子源。l电子回旋共振离子源是利用一种高频电磁波(微波

45、)中的电场加热电子，使电子具有足够高的能量，这些电子与气体中的原子碰撞，“打掉”气体原子的外层电子而产生多电荷态离子，并利用磁场来约束电子，使电子不能逃逸，有机会获得更高的能量，与更多的原子或离子碰撞，打掉更多的电子，也就是说，产生更高电荷态的离子。l电子回旋共振离子源最大的优点是高电荷态离子束流强(离子束流强度可近似理解为离子数目的多少)，电荷态高，有许多原子的外层电子几乎可全部被剥离掉。l离子源本身可长期；稳定可靠地工作，没有寿命问题。正因为如此，这种离子源才会如此备受青睐。遇到的困难遇到的困难金属离子产生困难金属离子产生困难l一般纯金属熔点较高，难于气化，用绝大多数离子源仅能得到少数几种

46、金属离子，不能满足金属离子注入的要求。MEVVA（Metal Vapor Vacuum Arc)离子源离子源l年，加州理工大学伯克利实验室的布朗发明了源，解决了这个问题。l特点：、几乎可以引出元素周期表上所有可以导电的元素的离子束，包括、等非金属，以及从导电化合物中引出混合离子束。、引出的离子束中多电荷离子的比例大（见表格）。l该离子源工作时不需要辅助气体，工作真空度达以上。l基本工作原理：利用阴极和阳极间的真空弧放电。l熔融状的阴极斑。l阴极由所需离子的导电固体材料制成。l起弧电压（弧压）和触发电压l弧压不能直接形成真空弧放电，必须经过触发电极的触发，在阴极表面产生少量等离子体，当等离子体到

47、达阳极，使主弧（阴极和阳极间）电路接通，这时才形成真空弧放电。l离子源-无穷的魅力， 戏剧性传奇色彩， 极具“魔力”的挑战性l离子源的设计、建造，特别是调试，还处于半理论和半经验状态，没有完整的理论可遵循l许多国外同行常说的那样，电子回旋共振离子源本身就像魔术一样，有时神秘莫测，变化无常，但在某些方面又显得相当简洁，富有规则而较易理解。虽然电子回旋共振离子源的发展已近30年，目前在国际上各领域有近二三百台这种离子源在运行，还有更多的正在建造之中，但它的许多基本原理和工作机制至今还不甚清楚。一台高电荷态电子回旋共振离子源的设计、建造，特别是调试，还处于半理论和半经验状态，没有完整的理论可遵循，常

48、常是一系列新的实验现象和实验结果使理论研究者大出所料，目瞪口呆，难于置信，在这方面理论研究远远地落后于实验进展。在电子回旋共振离子源的研制中，无权威可言，只要你不断努力、尝试，总会有新的发现。新的进展使你惊喜万分，但又常常迷惑不解。在国际电子回旋共振离子源领域，没有人敢夸口他的离子源所创束流纪录可保持半年。新的思想、新的结果、新的技术乃至许许多多的小窍门总是层出不穷；相互竞争激烈，而相互交流勾通又是那么广泛。至今，几乎每一台电子回旋共振离子源都能一直正常工作，但是，一台好的离子源和另一台差的离子源相比，其性能和束流指标千差万别。l在微波离子源中，当你向离子源中掺入一种比工作气体较轻的气体时，你

49、会发现工作物质的高电荷态离子产额可大幅度提高。这种现象叫掺气效应，这种效应是在一次偶然的试验中发现的。现在几乎所有的电子回旋共振离子源都在使用这种效应以提高高电荷态离子束流强，这种方法看起来是如此之简单，可效果非常明显。但在过去的15年里，有许多实验小组都试图从理沦和实验上给予解释，然而到目前为止，还没有一种完善的解释能自圆其说，令人信服。l在1995年之前，几乎所有的电子回旋共振离子源都只用一种频率的微波加热电子。有人曾提出试图把两种不同频率的微波同时馈入到离子源中，用以提高加热电子的效率，这种想法几乎遭到所有“权威”的否定，他们认为不可能美国贝克利国家实验室的谢祖棋博士，大胆地从实验上做了

50、尝试，出人意料地发现高电荷态离子产额大幅度提高了，但其详尽的物理解释还不甚明确，以至于两年后，有同行用实验重复证实了这个结果以后，国际电子回旋共振离子源先驱者之一的梯姆昂塔亚(TAntaya)博土在国际会议上感叹；“我真为双频加热担心，物理机制何在?但它又是确定无误的实验事实!”8080年代学术界曾流传的一句玩笑年代学术界曾流传的一句玩笑l电子束离子源(另外一种多电荷态离子源)的科学家们至少可以理解他们的电子束离子源为什么工作运行得如此糟糕，而可怜的微波离子源的科学家总是不明白他们的微波离子源为什么工作运行得如此之好!l这便是离子源魔力之所在。这种魔力驱使人们不断地去探索、思考，不断地提出新的

51、思想、新的概念，去揭示其中的奥妙。离子注入机的分类离子注入机的分类u离子注入机按能量大小可分为： 低能注入机（550keV） 能量大小 中能注入机（50200keV） 高能注入机（0.35MeV）u按束流强度大小可分为： 低束流注入机（几A左右） 束流大小 中束流注入机（几A几百A） 高束流注入机（几mA几十上百mA）u按束流工作状态可分为： 稳流注入机 束流状态 脉冲注入机u按使用目的可分为： 半导体精细掺杂注入机 离子束分析用注入机 使用目的 材料表面改性用离子注入机 其他使带电粒子偏转，分出中性粒子流使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束路径中性束路径类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描

52、类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描半导体微电子工业用离子注入系统的原理示意图半导体微电子工业用离子注入系统的原理示意图二、半导体微电子工业用离子注入系统二、半导体微电子工业用离子注入系统磁分析器磁分析器离离子子源源加速管加速管聚焦聚焦扫描系统扫描系统靶靶rdtqIAQ1GraphiteIon sourceAnalyzing magnetIon beamExtraction assemblyLighter ionsHeavy ionsNeutralsAnalyzing Magnet离子注入机分析磁铁离子注入机分析磁铁General Schematic of an Ion ImplanterI

53、on sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning diskSourceAtomic mass analysis magnetLinear acceleratorFinal energy analysis magnetScan diskWaferLinear Accelerator for High-Energy Implanters100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40

54、kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnet加速管加速管挡板挡板-中性粒子子的收集中性粒子子的收集离子注入机产生的离子束是一条线状的粒子，须有扫描装置才能进行整个晶片的掺杂。分为电子式和机械式l电子式：离子束分别经过水平放置及垂直放置的二组平行板，改变施加在电极板上的电压大小，粒子束的运动方向被偏移。，对粒子束进行上下及左右偏移，晶片静置。l机械式：离子束方向不变，改变晶片的位置。电扫描偏转电扫描偏转DzyvlLdD=VlL/2vd偏转电压V在一个方向上低频扫描（每秒几次），另一个

55、方向上高频扫描（每秒可达几千几万次）。在一个方向上低频扫描（每秒几次），另一个方向上高频扫描（每秒可达几千几万次）。经过扫描后，注入到硅片上，掺杂量的不均匀性可小于经过扫描后，注入到硅片上，掺杂量的不均匀性可小于1%，注入批次的重复性也小于，注入批次的重复性也小于1%。 + Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflection机械扫描系统机械扫描系统Single Wafer Scanning System电子簇射器

56、电子簇射器带正电荷的注入离子对晶片表面进行注入后，晶片表面会带正电使后续的带正电荷的注入离子在注入晶片之前运动方向受到影响，产生离子束膨大现象，造成注入离子均匀度变差。太高的晶片表面电荷容易导致晶片上MOS管栅极氧化层的绝缘能力降低甚至击穿。电子簇射器：由产生热电子的热灯丝及金属靶组成。灯丝产生的热电子轰击金属靶获得二次电子，这些二次电子扩散到晶片表面中和正电荷。半导体掺杂及分析用离子注入设备国产中束流离子注入机国产中束流离子注入机20-80KeV400-500W/hVll Sta 810XEr 中束流注入机中束流注入机Vll Sta 80HP 300mm 300mm 大束流注入大束流注入机机

57、1-80KeV FOR 90nm IC process三、材料改性用离子注入机三、材料改性用离子注入机特点：束流强度要大，掺杂密度高，时间长 纯度要求不太高，不需要质量分析器 均匀性要求低，10%20% 束斑直径尽可能大，不需要扫描 离子种类更全 设备简单，注入费用低l1.英国哈威尔原子能研究中心的强束流氮离子注入机l离子源气体高纯氮气，引出的是高纯的氮离子束，不需要进行质量分析l束流强度50mA，（过去的一般1mA）l束流直径可达1m，省略了偏转扫描系统l靶室直径可达2.5m， 大工件的注入， 2吨的重工件l世界各地有几十个氮离子注入中心2 2、全方位浸没离子注入、全方位浸没离子注入 l将注入的工件置于等离子体中，加上负电压，于是等离子体中的正离子则奔向工件而注入到工件表面。l特点：全方位离子注入，可加工复杂的工件。3.工业用强流金属离子注入机工业用强流金属离子注入机（MEVVA源）源）l美国伯克利实验室工业用金属MEVVA源注入机，束斑直径0.5m，引出电压50KV，最大