離子注入實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、離子注入實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 離子注入簡(jiǎn)介離子注入是一種將離子在電場(chǎng)里加速，并嵌入到另一固體的材料科學(xué)。這個(gè)過(guò)程用于改變?cè)摴腆w的物理、化學(xué)或電子性質(zhì)。離子注入用在半導(dǎo)體器件制造和某些材料科學(xué)研究。離子注入可以導(dǎo)致核轉(zhuǎn)變，又或改變其晶體結(jié)構(gòu)。離子注入技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種在很多方面都優(yōu)于擴(kuò)散方法的摻雜工藝。離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程。在集成電路制造中，多道摻雜工藝均采用離子注入技術(shù)，特別是集成電路制造中的隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)?、調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜、CMOS阱的形成以及源漏區(qū)域的形成等主要工序都采用離子注入法進(jìn)行摻雜。目前離子注入技術(shù)已經(jīng)成

2、為甚大規(guī)模集成電路制造中主要的摻雜工藝。2 離子注入原理2.1 離子注入的基本原理其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)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(xué)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(gòu)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。離子注入是利用某些雜質(zhì)原子經(jīng)離化后形成帶電雜質(zhì)離子，離子經(jīng)過(guò)一定的電場(chǎng)加速，直接轟擊靶材料實(shí)現(xiàn)摻雜或其他作用。一般的說(shuō),離子能量在15KeV的稱(chēng)為離子鍍；0.1-50KeV稱(chēng)作離子濺射；一般稱(chēng)10幾百KeV的稱(chēng)為離子注入。3 離子注入設(shè)備3.1 設(shè)備組成離子注入設(shè)備通

3、常由離子源、分析器、加速聚焦系統(tǒng)和靶室等組成。如圖1所示。圖1 離子注入設(shè)備示意圖3.2 離子源離子源由產(chǎn)生高密度等離子體的腔體和引出部分（吸極）組成。目前已研制出多種類(lèi)型的離子源：高頻等離子源J_CH1_1_1_1、弧放電離子源J_CH1_1_1_2、PIG離子源（潘寧源）J_CH1_1_1_3、雙等離子源J_CH1_1_1_4、雙彭源J_CH1_1_1_5、轉(zhuǎn)荷型負(fù)離子源J_CH1_1_1_6、濺射型負(fù)離子源J_CH1_1_1_7等。目前離子源技術(shù)還在不斷地發(fā)展著。環(huán)形雙等離子體離子源大型雙彭源已可提供百安級(jí)的氫正離子流。磁控管型負(fù)離子源已得到安培級(jí)的氫負(fù)離子束。一些小型離子源則具有低能散

4、低功耗低氣耗長(zhǎng)壽命等特色。在產(chǎn)生多電荷重離子束的實(shí)驗(yàn)裝置（如電子回旋共振離子源電子束離子源）中都已得到電荷態(tài)很高的重離子。這些新型裝置已逐漸被回旋加速器所采用。而能產(chǎn)生高溫等離子體的利用慣性約束的激光離子源也產(chǎn)生了高電荷態(tài)離子。離子注入對(duì)離子源的要求：能產(chǎn)生多種元素離子；有適當(dāng)?shù)氖鲝?qiáng)度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、束流調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)；引出束分散小、離子能量分散小。3.3 分析器分子包括兩種：離子分析器。離子源產(chǎn)生的離子束中往往有幾種離子。用分析器可以從這些離子中選擇出所需要的。磁分析器：在離子通道上加磁場(chǎng)，離子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)一定時(shí)離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑由離子的荷質(zhì)比和能量決定。讓選中離子的偏轉(zhuǎn)半徑

5、正好可以準(zhǔn)直地進(jìn)入管道。3.4 加速聚焦系統(tǒng)3.5 靶室放置、取出樣品?？梢杂薪o樣品加溫的裝置。4 離子注入特點(diǎn)1） 離子注入是在高真空和較低的工藝溫度下進(jìn)行，是一種純凈的無(wú)公害的表面處理技術(shù)。2） 注入到硅中的摻雜原子數(shù)目可以被精確的進(jìn)行控制，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)重復(fù)性和均勻性可精確控制在±1內(nèi)。離子注入技術(shù)的這一優(yōu)點(diǎn)在甚大規(guī)模集成電路制造中尤為重要。3） 離子注入深度是隨離子能量的增加而增加，因此摻雜深度可通過(guò)控制離子束能量高低來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于突變型的雜質(zhì)分布、淺結(jié)的制備，采用離子注入技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)。4） 離子注入是一個(gè)非平衡過(guò)程，不受到雜質(zhì)在襯底材料中的固溶度限制，原則上對(duì)多種元素均可

6、摻雜，這就使摻雜工藝靈活多樣，適應(yīng)性強(qiáng)。離子注入的優(yōu)點(diǎn)：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(gòu)可不受熱力學(xué)參數(shù)（擴(kuò)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(lèi)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(méi)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(guò)程在材料溫度低于零下、高到幾百上千度都可以進(jìn)行；可對(duì)那些普通方法不能處理的材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，如塑料、回火溫度低的鋼材等；1優(yōu)點(diǎn)A.半導(dǎo)體領(lǐng)域（1）注入雜質(zhì)不受靶材料固溶度的限制（2）雜質(zhì)的面密度和摻雜深度精確可控（3）橫向擴(kuò)散小，適合制作淺結(jié)

7、。（4）大面積均勻性好（5）摻雜純度高（6）能夠穿透一定的掩蔽膜（7）在化合物半導(dǎo)體工藝中有特殊意義B金屬改性和加工（8）被加工零件不易變形，尺寸不發(fā)生變化（9）可注入元素多、能產(chǎn)生新相、無(wú)廢液污染（10）離子鍍膜可以使膜層與基體結(jié)合牢固C生物（11）可以給生物注入部分施加離子、能量、電荷等多種作用。有較高的誘變幾率。2離子注入（半導(dǎo)體）的缺點(diǎn)（1）設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴（2）不可避免地產(chǎn)生各種缺陷（3）制作深結(jié)有一定的困難5 離子注入表征5.1 射程、平均投影射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差射程：入射離子在把材料中所經(jīng)過(guò)的路程投影射程：入射離子在把材料中的最后位置在入射方向的投影長(zhǎng)度。用Xp表示，如圖2所示。圖2

8、 入射離子運(yùn)動(dòng)示意圖平均投影射程：大量離子投影射程的平均值。用Rp表示。標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp： Rp=(Xp-R p)2N . . . . . .（N為入射離子總數(shù)）5.2 離子注入分布離子經(jīng)過(guò)一系列碰撞后停留在表面以下某一位置的幾率稱(chēng)為離子注入的分布。（1）用高斯分布來(lái)描述離子注入分布Nx=Nmaxexp(-(x-Rp2Rp)2)Nmax=D2Rp，D雜質(zhì)注入劑量(雜質(zhì)面密度)。Rp、Rp與離子和靶材料的種類(lèi)以及離子能量有關(guān)，可以通過(guò)查表得到。（2）結(jié)深PN結(jié)到樣品表面的距離。即滿足N(x)襯底摻雜濃度的x。由于N(x)隨x的變化非常劇烈，可以用下式估算結(jié)深：xj=R p+4R p5.3 離子注入引

9、起的損傷離子入射到靶材料中，與晶格原子發(fā)生多次猛烈碰撞，使原子從它們的晶格位置上產(chǎn)生位移并獲得能量。離子和移位原子和其它原子繼續(xù)發(fā)生碰撞。這樣在離子路徑上產(chǎn)生了高畸變區(qū)。當(dāng)入射離子的面密度（入射離子劑量）達(dá)到一定值時(shí)，畸變區(qū)重疊形成非晶層。5.3.1 離子注入引起的點(diǎn)缺陷（1）空位（2）空位和半導(dǎo)體原子的復(fù)合體（3）“空位氧原子”復(fù)合體（4）雙空位這些缺陷都有一定的能級(jí)。其能級(jí)可以通過(guò)測(cè)量得到。5.3.2 臨界劑量剛剛能產(chǎn)生非晶層時(shí)的入射離子的劑量（面密度）稱(chēng)為臨界劑量。臨界劑量與入射粒子的種類(lèi)、靶材料等因素有關(guān)。一些離子注入硅的臨界劑量如下表：表1一些離子注入硅的臨界劑量注入離子BAl, P

10、Ga, AsIn, SbTi, Bi臨界劑量/1014cm-22005210.55.3.3 離子注入損傷分布某一點(diǎn)損傷的密度與該點(diǎn)入射離子淀積給靶材料的能量密度成正比的。因此可以通過(guò)計(jì)算離子在靶內(nèi)的能量淀積分布函數(shù)來(lái)表征離子注入引起的損傷分布。有不同的方法計(jì)算離子注入損傷。結(jié)果表示也不盡相同。可以用高斯分布來(lái)表示能量淀積函數(shù)E(x)的分布。Ex=Emaxexp(-(x-xD2RD)2)其中Emax=XD2XD, XD和XD為損傷分布的的投影射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差。XD一般小于Rp；與離子的質(zhì)量、能量等因素有關(guān)。5.4 離子注入樣品的退火5.4.1 退火及其作用將樣品加熱到一定溫度，并且保持一定時(shí)間的工

11、藝稱(chēng)為退火。退火工藝有著廣泛的應(yīng)用。在一定的高溫下，離子注入樣品中的穩(wěn)定的缺陷群可以分解成結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的缺陷；缺陷能以比較高的速度移動(dòng)，逐漸湮滅或者被晶體中的位錯(cuò)、雜質(zhì)或表面吸收。非晶層存在時(shí)，晶體可以沿著“晶體非晶層” 界面生長(zhǎng)。消除缺陷，恢復(fù)晶格是退火的作用之一。在退火過(guò)程中間隙雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)到晶格位置能夠?yàn)榘雽?dǎo)體穩(wěn)定提供載流子。激活雜質(zhì)是退火的作用之二。5.4.2 退火的方式 （1）熱退火給樣品加熱升溫達(dá)到退火的目的稱(chēng)為熱退火。特點(diǎn)：成本低；退火時(shí)間長(zhǎng)；晶格恢復(fù)不太好、雜質(zhì)擴(kuò)散嚴(yán)重。（2）激光退火激光照射樣品使其加溫達(dá)到退火的目的稱(chēng)為激光退火。分為脈沖激光退火和連續(xù)激光退火。激光脈沖退火的機(jī)理

12、是：脈沖激光照射樣品，樣品表層經(jīng)歷如下過(guò)程：短時(shí)間內(nèi)溫度升高à熔化à冷卻à再結(jié)晶à固-液表面推進(jìn)到表面。從而使晶格恢復(fù)，雜質(zhì)激活。脈沖激光退火的特點(diǎn)：雜質(zhì)的電激活率高；損傷恢復(fù)好；效率低。連續(xù)激光退火的機(jī)理：固相外延再結(jié)晶。連續(xù)激光退火的特點(diǎn)：退火過(guò)程中雜質(zhì)分布發(fā)生變化很小，某些效果比熱退火好；效率低。（3）電子束退火機(jī)理和連續(xù)激光退火一樣。分為脈沖電子束和連續(xù)電子束退火。比較激光退火，電子束退火的束斑均勻性好，能量轉(zhuǎn)換效率高；可能在樣品中引入缺陷，使用受限制。（4）紅外快速等溫退火和白光快速退火在真空中將石墨塊加熱到12001300作為紅外源，樣品在紅

13、外光的照射下迅速被加熱達(dá)到退火的目的。白光快速退火指用大功率白熾燈作為加熱源加熱樣品達(dá)到退火的目的。紅外快速等溫退火和白光快速退火的特點(diǎn)：時(shí)間短，雜質(zhì)擴(kuò)散?。恍矢?；均勻性和重復(fù)性好。白光快速退火升溫時(shí)間更快，設(shè)備簡(jiǎn)潔；不適合進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間加熱的退火。6 離子注入的應(yīng)用這項(xiàng)高新表面處理技術(shù)的優(yōu)越性、實(shí)用性及其廣闊的市場(chǎng)前景已被越來(lái)越多的部門(mén)和單位所賞識(shí)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)多年來(lái)的研究與開(kāi)發(fā)，同時(shí)借鑒國(guó)際上的新進(jìn)展，M EVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類(lèi)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(chē)、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(zhǎng)使用壽命10倍左右；（3）精密運(yùn)動(dòng)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