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離子注入（材料表面改性技術）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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離子注入

材料表面改性技術

離子注入是指當真空中有一束離子束射向一塊固體材料時，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做濺射；而當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在固體材料中的這一現(xiàn)象叫作離子注入。

基本信息

中文名	離子注入
外文名	Ion implantation
性質(zhì)	高新技術

原理

等離子體基離子注入PBⅡ裝置示意圖

離子注入技術又是近30年來在國際上蓬勃發(fā)展和廣泛應用的一種材料表面改性技術。其基本原理是：用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，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的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。此項技術由于其獨特而突出的優(yōu)點，已經(jīng)在半導體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

應用

在電子工業(yè)中，離子注入成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術，也是控制MOSFET 閾值電壓的一個重要手段。因此在當代制造大規(guī)模集成電路中，可以說是一種必不可少的手段。

離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速（對Si，電壓≥105 V），獲得很大動能的雜質(zhì)離子即可以直接進入半導體中；同時也會在半導體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進行退火或激光退火來消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以內(nèi)的一定深度處。

離子注入的優(yōu)點是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來雜質(zhì)的再擴散等），同時可實現(xiàn)自對準技術（以減小電容效應）。

在工藝流程中，光刻的下一道工序就是刻蝕或離子注入。在做離子注入時，有光刻膠保護的地方，離子束無法穿透光刻膠；在沒有光刻膠的地方離子束才能被注入到襯底中實現(xiàn)摻雜。因此，用于離子注入工藝的光刻膠必須要能有效地阻擋離子束。

集成電路前道制程中有許多光刻層之后的工藝是離子注入（ion implantation），這些光刻層被稱為離子注入光刻層（implant layers）。離子注入完成后，晶圓表面的光刻膠必須被清除掉，清除離子注入后的光刻膠是光刻工藝中的一個難點。對清除工藝的要求包括：

（1）干凈徹底地去除襯底上的光刻膠；

（2）盡量避免襯底損傷表面，特別是離子注入?yún)^(qū)域（即沒有光刻膠的區(qū)域）；

（3）盡量避免對器件（如柵極的金屬）造成傷害。

優(yōu)點

高能離子注入的優(yōu)勢

多樣性：原則上任何元素都可以作為注入離子；形成的結(jié)構可不受熱力學參數(shù)（擴散、溶解度等）限制；

不改變：不改變工件的原有尺寸和粗糙度等；適合于各類精密零件生產(chǎn)的最后一道工序；

牢固性：注入離子直接和材料表面原子或分子結(jié)合，形成改性層，改性層和基底材料沒有清晰的界面，結(jié)合牢靠，不存在脫落的現(xiàn)象；

不受限：注入過程在材料溫度低于零下、高到幾百上千度都可以進行；可對那些普通方法不能處理的材料進行表面強化，如塑料、回火溫度低的鋼材等；

MEVVA源

介紹

M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀80年代中期由美國加州大學伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發(fā)明研制成功的。這種新型的強流金屬離子源問世后很快就被應用于非半導體材料離子注入表面改性，并引起了強流金屬離子注入的一場革命，這種獨特的離子注入機被稱為新一代金屬離子注入機。

優(yōu)點

(1)對元素周期表上的固體金屬元素(含碳)都能產(chǎn)生10毫安量級的強束流；

(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達到很高的純度，同時可以省去昂貴而復雜的質(zhì)量分析器；

(3)金屬離子一般有幾個電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個引出電壓可實現(xiàn)幾種能量的疊加(離子)注入；

(4)束流是發(fā)散的，可以省去束流約束與掃描系統(tǒng)而達到大的注入面積。其革命性主要有兩個方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機的結(jié)構大大簡化，主要由離子源、靶室和真空系統(tǒng)這三部分組成。

發(fā)展

在國家863計劃的大力支持下，經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，M EVVA源金屬離子注入表面技術在硬件(設備)和軟件(工藝)兩方面均已取得了重要的突破和進展，并已具備了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎。在設備方面，完成了M EVVAIIA-H、MEVVAII-B和MEVVA50型3種不同型號M EVVA源的研制，主要性能達到國際先進水平。僅“九五”期間，就已先后為臺灣地區(qū)、香港地區(qū)和國內(nèi)大學研究所和工廠生產(chǎn)了15臺M EVVA源離子注入機或M EVVA源鍍膜設備。

M EVVA源離子注入機的應用，使強流金屬離子注入變得更簡便、更經(jīng)濟，效率大大提高，十分有利于這項技術的產(chǎn)業(yè)化。在表面優(yōu)化工藝方面，鋼制切削工具、模具和精密運動耦合部件3大類、7個品種的M EVVA源離子注入表面處理，取得了延壽3-30倍的顯著優(yōu)化效果，并已通過國家部委級技術鑒定，成果屬國際先進水平。

應用

離子注入系統(tǒng)示意圖

這項表面處理技術的優(yōu)越性、實用性及其廣闊的市場前景已被越來越多的部門和單位所賞識，得到越來越廣泛的應用。根據(jù)多年來的研究與開發(fā)，同時借鑒國際上的新進展， M EVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：

(1)金屬切削工具(包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質(zhì)合金工具)，一般可以提高使用壽命3-10倍；

(2)熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延長使用壽命10倍左右；

(3)精密運動耦合部件，如抽氣泵定子和轉(zhuǎn)子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可大幅度地降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和耐蝕性，延長使用壽命最多可以達到100倍以上；

(4)擠壓合成纖維和光導纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命；

(5)半導體工業(yè)中的精密模具，罐頭工業(yè)中的壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命；

(6)醫(yī)用矯形修復部件(如鈦合金人工關節(jié))和手術器具等，其經(jīng)濟效益和社會效益非常好。

技術

這項高技術是一個方興未艾的新興產(chǎn)業(yè)，硬件設備的處理能力和效率有待進一步提高，在軟件(離子注入材料表面改性技術)方面，也有待進一步深化和細化，其應用范圍也有待不斷擴大。

國內(nèi)外發(fā)展概況美國的I SM Tech.公司是國際上生產(chǎn)M EVVA源離子注入機的專業(yè)公司，在綜合技術水平上處于國際領先。上世紀90年代以來先后研制生產(chǎn)了幾種不同類型的商用M EVVA源離子注入機。一種多M EVVA源離子注入機，在真空室里配備了4臺AVIS80-75MEV- VA源，總束流可達300mA，總束斑面積可打12，000cm2，是世界上束流最強的M EVVA源離子注入機。歐美工業(yè)發(fā)達國家的離子注入表面處理技術這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況良好，如美國的S PIRE公司和ISM Tech.公司、英國的A EA Industrial Tech.，Tec Vac和Tech-Ni-Plant、法國的N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國的M AT和丹麥D TI Tribology Centre等均已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，起了很好的示范作用。他們已經(jīng)將金屬離子注入的費用降低到$0.05-0.5/cm2的水平，可以被包括醫(yī)療、航空、航天、機械等廣泛的領域和部門所接受。

非半導體

非半導體材料離子注入表面改性研究對離子注入機提出了一些新的要求。半導體材料的離子注入所需的劑量（即單位面積上打進去了多少離子，單位是：離子/平方厘米）比較低，而所要求的純度很高。非半導體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高（比半導體材料離子注入高1000倍以上），而純度不要求像半導體那么高。

在非半導體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導體離子注入機所產(chǎn)生的氮離子束來進行。這主要是因為氮等氣體離子在適用于半導體離子注入的設備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應用中取得了引人注目的成功。因此這個階段被稱為氮離子注入階段。

金屬離子注入是新一代的材料表面處理高技術。它利用具有很高能量的某種金屬元素的離子束打入固體材料所引起的一系列物理的與化學的變化，來改善固體材料的某些表面性能。研究結(jié)果表明，金屬離子注入在非半導體材料離子注入表面改性研究與應用中效果更加顯著，應用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無法實現(xiàn)的，金屬離子注入可以很好地實現(xiàn)。但是，基于半導體離子注入需要的傳統(tǒng)離子注入機，要想獲得比較強束流的金屬離子束是比較困難的，進行非半導體材料離子注入表面改性所需的費用也是比較昂貴的。

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