核技术应用离子注入

离子注入一、概述

高能束加工常用的高能密度束流加工方法主要是:激光加工、电子束加工、离子束加工等。

高能密度束流加工的共同特点：加工速度快，热流输入少，对工件热影响小，工件变形小。束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。束流控制方便，易实现加工过程自动化。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述电子束加工1.电子束加工原理电子束加工（electronbeammachining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。

1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述2.电子束加工的特点

高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述3.电子束加工的应用

1）电子束打孔不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述电子束加工曲面、弯孔/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述2）电子束切割可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～6μm。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述3）光刻当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述离子束加工1.离子束加工原理离子束加工（ionbeammachining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。

/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述2.离子束加工特点加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述3.离子束加工的应用范围离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。1）离子刻蚀/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述2）离子溅射沉积采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。实际上此法为一种镀膜工艺。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述4）离子注入用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。/电子发烧友电子技术论坛离子注入一、概述离子注入机实物照片/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理

Particlesourceandtheirinteractionwithmatters

Particles:Photons;electrons;ions Opticalbeam,x-raybeam,electronbeam,ionbeaminengineering)

可见紫外近紫外(UV)远紫外(FUV)真空紫外(VUV)深紫外(DUV)极紫外(EUV)X-RAY (380-780nm)(400-300nm)(300-200nm)(200-4nm)(200-100nm)(100-10nm)<10nm可见光：E0=1.6-6.3eV,紫外光：5-10eV,X光：10-1000eV）光子/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理

m为电子静止质量。当粒子速度远小于光速时，上式简化为：电子：电子束能量E0为102-105eV,其对应波长10-4-10-6微米/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理对于离子束来说,由于其静止质量大,即使其能量很低,其波动效应也很小.从理论上讲,可获得很高的图形分辨率.质子

在微/纳加工技术中,这些粒子束或射线束在不同的条件下或不同的场合有不同的用途.

/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理2.SolidSurface研究电子,离子及光子与固体相互作用时,在表面所产生的物理和化学过程与体内有很大的不同。

因为在固体表面附近的区域其原子的排列,物理状态及化学成分可能与体内有很大的不同。

在大气条件下,几乎所有的表面都会被某中吸附层所污染。

在10-5torr的真空下,一秒钟可吸附单层原子(1015/cm2),因此,要研究原子级的清洁表面,保持10-10以上的超高真空。除此之外,表面的化学成份通常与体内不同.如几乎所有的金属表面都有一层天然的氧化物.其厚度刻在1-10nm之间.如果不把这层氧化物通过刻蚀或化学抛光却掉,则将会影响其表面的化学和物理性质.一般来说,表面玷污包括吸附的气体,水,有机物和无机离子等.Possiblesolidmaterials:Dielectric:Polymer(Resist),SiN,SiO2….Semiconductor:Si,GaAs…Metal:Al,Cu,W,Ni,Cr,Au…/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理根据电子衍射和场离子显微镜的研究,晶体表面的结构具有不同的情况(图): 1)被不同的外来原子所覆盖

2)吸附活性物质形成三维表层化合物

3)表层位移,形成新的表面横向周期

4)在合金的情况下,有时会在表面出现某种原分的偏析

即使没有发生上述情况,晶体表面的电子结构与体内也有很大的差异.有些电子轨道在晶体内部形成化学健而在表面没有键合,这些轨道的方向从表面向外伸出,成为”悬挂键”,许多半导体都存在这种情况./电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理在既考虑折射又考虑吸收的系统中,通常用复数来表示介质的折射率:设入射的光线为则在介质中沿x方向传播的光波可表示为:

光与物质的相互作用/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理在连续介质中，主要表现为光的吸收（Lambert-Bill定律）K为吸收系数,通常包括吸收与散射两部分.在实践中我们也常用消光系数

来表示介质的吸收.吸收系数与消光系数之间的关系为:光子的吸收可用Einstan

公式表示:

E=h

吸收的光子：健断裂（降解，分解），化合，热，电离，电流，电压等/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理Electronsourceandinteraction

source1.热电离发射

功函数

(eV):将导体导带内的一个电子移到自由空间所需要的能量(2-5eV).在金属内部,到达表面的电流密度为jx=n0vxe,n0:金属内单位体积电子数:1022-1023/cmvx:电子运动速度,在fermi能级附近,vx=108cm/s得:jx=1012A/cm2.但很少有电子逃出表面

在热发射情况下,热发射电流遵从Richardson-Dushman方程A0为经验常数.(Wu:75A/cm2,Ta:55A/cm2,LaB6:40A/cm2)metal

EminE(x)Ef/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理2.场发射:如果阳极电场没有完全屏蔽,相当于在固体的表面加一电场E,则功函数将会减小:

0为零场功函数.T为温度,

为温度系数,E为外加电场.可得:

时,D=1-r(

).r()为反射系数,若其平均值为r,带入上式进行积分得:N(T,):供给函数.N(T,)d是温度为T时,速度分量垂直于表面,能量在到+d之间的电子每秒钟到达单位面积表面的数量,D(E,

,

):透射函数.在外加电场E的条件下,能量为的电子穿过功函数

势垒的几率.当当/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理3.电子光学Snell’slaw

aa’/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理Interaction1.电子对固体的作用 电子对固体的作用与微米/纳米加工技术中的很多过程有着密切的关系.

当具有一定能量的电子束作用到固体薄膜样品时,如果薄膜的厚度比电子在靶材料中的射程小得多时,有三种情况可能出现:1)电子未经散射穿透薄膜;2)电子束穿过薄膜时产生弹性散射;以及3)电子束遭受非弹性散射.

但电子进入固体以后,其在固体中行为和所走的路线主要取决于一系列的弹性和非弹性散射过程.弹性散射主要是原子核对电子的散射.对于弹性散射,入射电子基本上不损失动能,仅改变其运动方向.对于非弹性散射,入射电子用于激发固体原子,运动方向也有一定的变化.

电子在固体表面和进入体内经历非弹性散射而引起的能量损耗的过程有多种多样事件,包括:产生低能二次电子(最高可达50eV),激发金属电子等离子体密度振荡(plasmon),通过内壳层电离产生X射线和俄歇电子发射,产生电子空穴对并导致随后发生的光子发射(阴极发光),跃迁辐射及晶格振动(声子激发phonon).

所考虑的电子能量:初级5–50KeV

分子的原子间化学键断裂所需要的能量为80–100eV./电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理

2.弹性散射:弹性散射时电子受原子核正电荷(Ze)的吸引(库伦力),轨迹发生偏转的过程(1)散射几率/散射截面若入射电子被木某散射中心散射的几率为

,设n是单位体积中的散射中心,L是粒子的自由程,则有

nL=1,即

=1/nL,显然

有面积量纲,因此

也叫散射截面.(2)微分散射截面/总散射截面多数情况下,我们关心在某出射角度

方向,单位立体角内发现被散射粒子的几率.(3).碰撞参数(impactparameter)/Rutherfold

Scatering碰撞参数:入射电子的路径与通过原子核的平行线之间的垂直距离b被称为碰撞参数.由于受到核正电核的吸引,电子走双曲线轨道.在b+db环形面积入射的电子被散射到

至

+d

的角度.设单位面积入射电子数为N,则在b+db环形面积入射的电子数为N.2bdb;如果在至

+d

之间的散射截面为d,则被散射到的该方向的电子数为Nd,这两数应相等,故负号表示b的增加将导致

的减小.通过该式,微分散射截面把初始均匀分布入射的碰撞参数同出射角分布联系起来./电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理a)只考虑库仑场:卢瑟福散射:b)如果考虑内层电子对原子核的屏蔽作用,利用Wentzel模型和经典量子力学的Born近似,则可得到:

是入射电子的波长,r0=aHZ-1/3.aH=0.529A,是波尔半径.其中/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理3.非弹性散射(1)声子激发:入射电子把能量传给分子振动或晶格振动

(2)等离子激元(palsmon)当入射电子在固体中经过时排斥固体中导带电子和价带电子,引起后者集体振荡.这些振荡的能量是量子化的,称为等离子激元.等离子激元得微分散射截面为:(3)轫致辐射Bethe-Heitler

公式:/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理

其中E为入射电子的能量,是一个数量为一左右的修正系数.S0为跃迁几率,是原子光谱研究中最为重要的量,可通过计算或实验获得.电离：原子内壳层电离截面的计算方法有多种多样.其中著名的为Bethe公式:(4)电子激发/电离激发(从基态到激发态(0

)

Enl是束缚能,Znl是量子数为nl壳层上的电子数,bnl,cnl是反映不同壳层之间的区别的参数,如:bK=0.35,bL=0.25,cK=cL=2.42.在上述非弹性过程中,原子的电离是最为重要的/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理4.其他效应(1)

背散射电子;产生原因:(a)初级电子弹性反射(b)衍射电子(c)俄歇电子

(2)二次电子(3)X射线辐射(4)高分子聚合/断裂(5)热效应(6)电流注入5.能量损失机理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理E0=5-50KeV,电子在固体中能连损失机理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理离子源及其与物质的作用1离子源离子在微细加工中主要有下列作用：a．离子束光刻。b.离子铣。c.离子注入。d.离子束显微操作、微观分析。e.等离子体刻蚀。F.掩膜修理。g.离子束辅助淀积。

离子束的特征：a.

离子束可在电场的作用下被加速，获得高能量，也可以被轻易减速。因而可以任何能量与靶材料发生作用。b.

离子束可在电场、磁场的作用下进行快速、高精度的控制。因而可以获得平行性好，来直径很细的束流。c.

离子不仅具有能量和质量，而且具有元素性质，它与物质相互作用时可产生许多新的效应。

离子源的主要指标：a.

离子的种类b.离子流强度c.亮度d.能量的分散性d.

电离效率.f.离子源寿命g.能量转换效率/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理4各种离子源离子源主要可以分为三大类：电子激发、气体场电离、液态金属

a.电子激发离子源电子束：热电离或冷阴极发射，也可通过气体放电本身产生。

离子产额：

je:电子束流;P:气压;l:路径;s:差分离化系数;(每个电子在单位气压下，经过单位路径是产生电离碰撞的次数）当电子动能大于气体分子的离化能，可产生电离/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理b.等离子体发生器（亚弧放电）c.

气体场电离离子源 随着围绕原子或分子的电场的提高，原子或分子会被极化，并最终导致价电子离开原子式分子，这一过程类似于场发射，但由于电离能比功函数要高的多，因而所需要的电场强度也大许多，一般在108V/cm或1V/Å左右。这样的场一般可简单地通过在半径只有1000Å左右尖端形成。亮度(可达108A/cm2

sr)工作气体：H、He、Ar、Xe/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理c.液态金属离子源由金属存贮器和加热器，针尖发射体以及抽取电极三部分组成，发射体针尖上的液体金属同时受到静电场力的作用和表面张力两种方向相反的力的作用。随着抽取电压加大，静电场力加大。当电压大于某一值(4－6kV),电场强度可达108V/cm，即可发射离子。液态金属要求低融点，不活波，与发射针尖侵润性好。一般用Ga作为液态金属离子源。除此之外，仅有铟(In)，锡(Sn)、金(Au)等少数金属。但对工艺来说，要求有多种多样的离子源。因此提出了很多共晶合金金属离子源方案，有的已经取得的成功：如Au-Si，Pt-B-Au-Ge，Au-Si-Be，PdAsB，Pd2As等。/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理interaction1.主要物理过程：离子和物质的作用包括弹性和非弹性碰撞。主要物理过程有：①离子原子散射(背散射)②表面原子移位③内部原子移位④物理溅射⑤离子注入⑥化学溅射(形成新的化合物)⑦电荷转移⑧离子吸附⑨次电子发射(金属）⑩表面次级离子发射⑾化学键断裂⑿加热效应⒀光子发射。/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理

2.离子在固体中能量损失机理

a.

非弹性能量损失－离子和靶发生作用，把能量传递给后者，使其激发或电离－电子阻止。

b.

弹性能量损失－离子和靶发生作用；使靶原子反冲，自已能量减少－核阻止。

c.

电荷交换损失－俘获或失去电子，离子的电子被激发或电离，从而失去电子；俘获的电子可能处在激发态，将伴随辐射损失。俘获时离子需要作功。/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理/电子发烧友电子技术论坛离子注入三、应用

注N+

使带隙中深的辐射中心复合的效率大幅度提高,极大的增强了其发光强度；从红外光谱可以清楚地看到碳氮单键、双键、三键等新结构产生,由于碳氮单键构成的化合物C3N4

有其超强的物理和化学特性,其合成具有极其重要的现实意义./电子发烧友电子技术论坛离子注入三、应用高温注氦及随后230MeV的208Pb27+辐照Al2O3的光致发光谱/电子发烧友电子技术论坛离子注入二、基本原理PLspectraofpristineandHeionimplantedsapphire

PLspectraofpristineandArionimplantedsapphire

PLspectraofpristineandNeionimplantedsapphire

T=600K

E=110K