離子注入技�(shù)是把某種元素的原子電離成離子,并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加�,在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技�(shù)。材料經(jīng)離子注入后,其表面的物理、化�(xué)及機械性能會發(fā)生顯著的變化,金屬表層所�(chǎn)生的持續(xù)耐磨損能力可以達到初始注入深度的2�3個數(shù)量級�
離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子�(jīng)加速后高速射向材料表�,當離子進入表面,將與固體中的原子碰�,將其擠進內(nèi)�,并在其射程前后和側(cè)面激�(fā)出一個尾�。這些撞離原子再與其它原子碰撞,后者再繼續(xù)下去,大約在10-11s�(nèi),材料中將建立一個有�(shù)百個間隙原子和空位的區(qū)域(如圖1所示)。這所謂碰撞級�(lián)雖然不能完全理解為一個熱過程,但�(jīng)常看成是一個熱能很集中的峰。一個帶�100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之�,可進入到數(shù)百到�(shù)千原子層。當材料回復(fù)到平衡,大多�(shù)原子回到正常的點陣位�,而留下一些“凍�(jié)”的空位和間隙原子。這一過程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表�。離子和損傷的分布大體為高斯分布�
整個阻止過程的時間僅用10-11s,位移原子的停留也是在相近時間內(nèi)完成�,所以全過程很像�(fā)生在長約0.1μm和直徑為0.02μm 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱-淬火與新原子注入材料中相�(jié)�,其�(jié)果可�(chǎn)生一些獨特的性能�
離子注入的深度是離子能量和質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)。能量愈�,注入愈�。一般情況下,離子越輕活基體原子越輕,注入越深�
一旦到達表�,離子本身就被中�,并成為材料的整體部分,所以注入層不會像常�(guī)那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子,或者彼此之�,甚至與真空室內(nèi)的殘余氣體化合生成常�(guī)合金或化合物�
由于注入時高能離子束提供反應(yīng)后的�(qū)動力,故有可能在注入材料中形成常�(guī)熱力�(xué)方式不能獲得的亞�(wěn)�(tài)或“非平衡�(tài)”化合物這就可能使一種元素的添加量遠遠超過正常熱溶解的數(shù)��
用能量為100keV量級的離子束入射到材料中�,離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作�,入射離子逐漸損失能量,停留在材料�,并引起材料表面成分、結(jié)�(gòu)和性能�(fā)生變�,從而優(yōu)化材料表面性能,或獲得某些新的�(yōu)異性能�
離子注入技�(shù)是把某種元素的原子電離成離子,并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加�,在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技�(shù)。材料經(jīng)離子注入后,其表面的物理、化�(xué)及機械性能會發(fā)生顯著的變化�
?�?)離子注入是一個非平衡過程,注入元素不受擴散系�(shù)、固溶度和平衡相圖的限制,理論上可將任何元素注入到任何基體材料中��
?�?)注入層與基體之間沒有界�,系冶金�(jié)合,改性層和基體之間結(jié)合強度高、附著性好�
�3)高能離子的強行射入工件表面,導(dǎo)致大量間隙原子、空位和位錯�(chǎn)�,故使表面強�,疲勞壽命提高�
?�?)離子注入是在高真空和較低的工藝溫度下進行,因此工件不�(chǎn)生氧化脫碳現(xiàn)�,也沒有明顯的尺寸變化,故適宜工件的表面處理�
?�?)它是一種純凈的無公害的表面處理技�(shù)�
�2)無需熱激�,無需在高溫環(huán)境下進行,因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度�
?�?)離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化�(xué)相互作用而形成的一個新表面�,它與基體之間不存在剝落問題�
?�?)離子注入后無需再進行機械加工和熱處理�
1、離子注入應(yīng)用于金屬材料改�
離子注入�(yīng)用于金屬材料改�,是在經(jīng)過熱處理或表面鍍膜工藝的金屬材料�,注入一定劑量和能量的離子到金屬材料表面,改變材料表層的化學(xué)成份、物理結(jié)�(gòu)和相�(tài),從而改變材料的力學(xué)性能、化�(xué)性能和物理性能。具體地�,離子注入能改變材料的聲�(xué)、光�(xué)和超�(dǎo)性能,提高材料的工作硬度、耐磨損�、抗腐蝕性和抗氧化�,最終延長材料工作壽命�
2、離子注入機�(yīng)用于摻雜工藝
在半�(dǎo)體工藝技�(shù)中,離子注入具有高精度的劑量均勻性和重復(fù)�,可以獲得理想的摻雜濃度和集成度,使電路的集�、速度、成品率和壽命大為提�,成本及功耗降低。這一點不同于化學(xué)氣相淀�,化�(xué)氣相淀積要想獲得理想的參數(shù),如膜厚和密�,需要調(diào)整設(shè)備設(shè)定參�(shù),如溫度和氣流速率,是一個復(fù)雜過�。上個世紀70年代要處理簡單一個的n型金屬氧化物半�(dǎo)體可能只需6�8次注入,而現(xiàn)代嵌入記憶功能的CMOS集成電路可能需要注入達35��
技�(shù)�(yīng)用需要劑量和能量跨越幾個等�,多�(shù)注入情況為:每個盒子的邊界接近,個別工藝因設(shè)計差異有所變化。隨著能量降�,離子劑量通常也會下降。具備經(jīng)濟產(chǎn)出的離子注入劑量�1016/cm2,相當于20個原子層�
3、在SOI技�(shù)中的�(yīng)�
由于SOI技�(shù)(Silicon-on-Insulation)在亞微米ULSI低壓低功耗電路和抗輻照電路等方面日益成熟的應(yīng)�,人們對SOI制備技�(shù)進行了廣泛探��
1966年Watanabe和Tooi首先報道通過O+注入形成SILF表面的Si氧化物來進行器件間的絕緣隔離的可能��1978�,NTT報道用這項技�(shù)研制出高�、低功耗的CMOS鏈振蕩電路后,這種注O+技�(shù)成為眾人注目的新技�(shù)。從而注氧隔離技�(shù)即SIMOX就成了眾多SOI制備技�(shù)中最有前途的大規(guī)模集成電路生�(chǎn)技�(shù)�1983年NTT成功運用了SIMOX技�(shù)大批生產(chǎn)了COMSBSH集成電路�1986年NTT還研制了抗輻射器�。這一�,使得NTT�(lián)合EATON公司共同開發(fā)了強流氧離子注入機(束流�100mA),之后EATON公司生產(chǎn)了一系列NV�200超強流氧離子注入�,后來Ibis公司也研制了Ibis�1000超強流氧離子注入。從此SIMOX技�(shù)進入了大�(guī)模生�(chǎn)年代。到了上世紀90年代后期,人們在對SIMOX材料的廣泛應(yīng)用進行研究的同�,也�(fā)�(xiàn)了注氧形成的SOI材料存在一些難以克服的缺點,如硅島、缺�,頂部硅層和氧化層的厚度不均勻等,從而導(dǎo)致了人們開始著眼于注氫和硅片鍵合技�(shù)相結(jié)合的智能剝離技�(shù)即SMART CUT技�(shù)的研制,上世紀90年代末期,H+離子注入成了新的熱門話題。目前雖無專門的H+離子注入機,但隨著SMART CUT工藝日趨成熟,不久將會出�(xiàn)專門的H+離子注入機�
除了半導(dǎo)體生�(chǎn)行業(yè)�,在工控自動化的快速發(fā)展下,離子注入技�(shù)也廣泛應(yīng)用于金屬、陶�、玻�、復(fù)合物、聚合物、礦物以及植物種子改良上�
等離子注入技�(shù)盡管克服了傳�(tǒng)離子注入技�(shù)的直射性問�,但離子注入工藝方法所固有的注入層淺的問題始終存在,這電限制了它在工�(yè)中的廠泛使用。因�,欲獲得較厚的改性層,等離子體基離子注入技�(shù)必須與其他鍍膜技�(shù)如PVD、CVD方法相結(jié)�,即�(fù)合的注入與沉積技�(shù)。復(fù)合鍍膜技�(shù)是目前國�(nèi)外的重要�(fā)展趨�,不少鋰電池生產(chǎn)商都在關(guān)�。這種�(fù)合鍍膜技�(shù)既可在同一個真空腔體內(nèi)進行,也可以在不同真空系�(tǒng)中進行;注入與沉積既可同時進行也可以順序進行�
另外,為了實�(xiàn)等離子注入工藝進一步實用化,注入設(shè)備需不斷改�,以適應(yīng)不同用途的等離子注入工藝的需�,并且朝著多元化、大電流、高電壓、高�、大體積和多功能的方向發(fā)展�
?�?)形成低泄漏淺結(jié)�
�2)以低成本使用MeV注入替代外延,利用低能硼離子束注入技�(shù)獲得高質(zhì)量淺p型�(jié)進行注入的分子動�(tài)研究�
獲得高質(zhì)量的淺p型結(jié)的技�(shù)由Kyoto大學(xué)離子束工程實驗室完成。采用硼化氫的簇離子注入技�(shù)形成淺結(jié)。小的硼束流和單體注入進行分子動態(tài)模擬。在階段,通過B10簇形成損害可望避免附加B原子瞬態(tài)提高擴散,獲得高�(zhì)量淺p型�(jié)�
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