離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介

離子注入技術(shù)介紹：把摻雜劑的原子引入固體中的一種材料改性方法。簡(jiǎn)單地說，離子注入的過程，就是在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的，要摻雜的原子的離子照射（注入）固體材料，從而在所選擇的（即被注入的）區(qū)域形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的表面層（注入層）。

離子注入的基本特點(diǎn):
①純凈摻雜,離子注入是在真空系統(tǒng)中進(jìn)行的,同時(shí)使用高分辨率的質(zhì)量分析器,保證摻雜離子具有極高的純度。
②摻雜離子濃度不受平衡固溶度的限制。原則上各種元素均可成為摻雜元素，并可以達(dá)到常規(guī)方法所無(wú)法達(dá)到的摻雜濃度。對(duì)于那些常規(guī)方法不能摻雜的元素,離子注入技術(shù)也并不難實(shí)現(xiàn)
③注入離子的濃度和深度分布精確可控。注入的離子數(shù)決定于積累的束流，深度分布則由加速電壓控制，這兩個(gè)參量可以由外界系統(tǒng)精確測(cè)量、嚴(yán)格控制。
④注入離子時(shí)襯底溫度可自由選擇。根據(jù)需要既可以在高溫下?lián)诫s，也可以在室溫或低溫條件下?lián)诫s。這在實(shí)際應(yīng)用中是很有價(jià)值的。
⑤大面積均勻注入。離子注入系統(tǒng)中的束流掃描裝置可以保證在很大的面積上具有很高的摻雜均勻性。
⑥離子注入摻雜深度小。一般在 1um以內(nèi)。例如對(duì)于100keV離子的平均射程的典型值約為0.1um。

離子注入技術(shù)的發(fā)展
離子注入首先是作為一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，它所取得的成功是其優(yōu)越性的最好例證。低溫?fù)诫s、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優(yōu)點(diǎn)，使得經(jīng)離子注入摻雜所制成的幾十種半導(dǎo)體器件和集成電路具有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、成品率高等特點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來(lái)說，離子注入更是一種理想的摻雜工藝。如前所述，離子注入層是極薄的，同時(shí)，離子束的直進(jìn)性保證注入的離子幾乎是垂直地向內(nèi)摻雜，橫向擴(kuò)散極其微小，這樣就有可能使電路的線條更加纖細(xì)，線條間距進(jìn)一步縮短，從而大大提高集成度。此外,離子注入技術(shù)的高精度和高均勻性,可以大幅度提高集成電路的成品率。隨著工藝上和理論上的日益完善，離子注入已經(jīng)成為半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。在制造半導(dǎo)體器件和集成電路的生產(chǎn)線上，已經(jīng)廣泛地配備了離子注入機(jī)。 　　

70年代以后，離子注入在金屬表面改性方面的應(yīng)用迅速發(fā)展。在耐磨性的研究方面已取得顯著成績(jī)，并得到初步的應(yīng)用，在耐腐蝕性(包括高溫氧化和水腐蝕)的研究方面也已取得重要的進(jìn)展。 　　

注入金屬表面的摻雜原子本身和在注入過程中產(chǎn)生的點(diǎn)陣缺陷，都對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起“釘扎”作用，從而使金屬表面得到強(qiáng)化，提高了表面硬度。其次，適當(dāng)選擇摻雜元素，可以使注入層本身起著一種固體潤(rùn)滑劑的作用,使摩擦系數(shù)顯著降低。例如用錫離子注入En352軸承鋼，可以使摩擦系數(shù)減小一半。尤其重要的是，盡管注入層極薄，但是有效的耐磨損深度卻要比注入層深度大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果業(yè)已證明，摻雜原子在磨損過程中不斷向基體內(nèi)部推移,相當(dāng)于注入層逐步內(nèi)移,因此可以相當(dāng)持久地保持注入層的耐磨性。

離子注入技術(shù)的性能

離子注入后形成的表面合金，其耐腐蝕性相當(dāng)于相應(yīng)合金的性能，更重要的是，離子注入還可以獲得特殊的耐蝕性非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)表面合金，而且離子注入和離子束分析技術(shù)相結(jié)合，作為一種重要的研究手段，有助于表面合金化及其機(jī)制的研究。
離子注入作為金屬材料改性的技術(shù)，還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即注入雜質(zhì)的深度分布接近于高斯分布，注入層和基體之間沒有明顯的界限，結(jié)合是極其緊密的。又因?yàn)樽⑷雽訕O薄，可以使被處理的樣品或工件的基體的物理化學(xué)性能保持不變,外形尺寸不發(fā)生宏觀的變化,適宜于作為一種最后的表面處理工藝。
離子注入由于化學(xué)上純凈、工藝上精確可控，因此作為一種獨(dú)特的研究手段，還被廣泛應(yīng)用于改變光學(xué)材料的折射率、提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，表面催化、改變磁性材料的磁化強(qiáng)度和提高磁泡的運(yùn)動(dòng)速度和模擬中子輻照損傷等等領(lǐng)域。

2．1 離子注入應(yīng)用于金屬材料改性
    離子注入應(yīng)用于金屬材料改性，是在經(jīng)過熱處理或表面鍍膜工藝的金屬材料上，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)構(gòu)和相態(tài)，從而改變材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能。具體地說，離子注入能改變材料的聲學(xué)、光學(xué)和超導(dǎo)性能，提高材料的工作硬度、耐磨損性、抗腐蝕性和抗氧化性，最終延長(zhǎng)材料工作壽命。

2．2 離子注入機(jī)應(yīng)用于摻雜工藝
    在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，離子注入具有高精度的劑量均勻性和重復(fù)性，可以獲得理想的摻雜濃度和集成度，使電路的集成、速度、成品率和壽命大為提高，成本及功耗降低。這一點(diǎn)不同于化學(xué)氣相淀積，化學(xué)氣相淀積要想獲得理想的參數(shù)，如膜厚和密度，需要調(diào)整設(shè)備設(shè)定參數(shù)，如溫度和氣流速率，是一個(gè)復(fù)雜過程。上個(gè)世紀(jì)70年代要處理簡(jiǎn)單一個(gè)的ｎ型金屬氧化物半導(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(dá)35次。
    技術(shù)應(yīng)用需要?jiǎng)┝亢湍芰靠缭綆讉€(gè)等級(jí)，多數(shù)注入情況為：每個(gè)盒子的邊界接近，個(gè)別工藝因設(shè)計(jì)差異有所變化。隨著能量降低，離子劑量通常也會(huì)下降。具備經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的最高離子注入劑量是1016/cm2，相當(dāng)于20個(gè)原子層。

2．3 在SOI技術(shù)中的應(yīng)用
    由于SOI技術(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)用，人們對(duì)SOI制備技術(shù)進(jìn)行了廣泛探索。