粒子同固體相互作用物理學(xué)-第1章

粒子同固體相互作用物理學(xué)-第1章第一頁(yè)，共103頁(yè)。第一章緒論第二頁(yè)，共103頁(yè)。100年前的一個(gè)著名物理實(shí)驗(yàn)：大家都學(xué)過(guò)物理，都知道這么這么一件事情：a離子轟擊金箔，觀察到背散射的現(xiàn)象，從而證實(shí)了原子核的存在，并由此建立了原子的有核結(jié)構(gòu)模型，為微觀世界的研究揭開(kāi)了序幕?？梢赃@么說(shuō)，帶電粒子同物質(zhì)相互作用的研究，揭開(kāi)了原子世界的奧秘，為近代物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。人們對(duì)微觀世界層次（也就是原子核內(nèi)部和基本離子）的認(rèn)識(shí)也是以此為開(kāi)端。近代物理學(xué)上的許多重大成就，包括上面提到的盧瑟福背散射實(shí)驗(yàn)，都是從研究帶電粒子的行為獲得的。所以說(shuō)帶電粒子同物質(zhì)相互作用的研究對(duì)近現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展功勛卓著。第三頁(yè)，共103頁(yè)。第四頁(yè)，共103頁(yè)。時(shí)至今日，前一類加速器越造越大，粒子速度也就是能量越來(lái)越高。中科院高能所的電子對(duì)撞機(jī)：幾百米；第五頁(yè)，共103頁(yè)。歐洲：歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界最大的粒子加速器，建于瑞士和法國(guó)交界地區(qū)地下１００米深處、總長(zhǎng)大約２７公里的環(huán)形隧道內(nèi)，開(kāi)足馬力的對(duì)撞機(jī)能夠確保數(shù)萬(wàn)億粒子高速流過(guò)將近２７公里長(zhǎng)的地下隧道，最高速度接近每秒３０萬(wàn)公里，相當(dāng)于光速的９９．９９％。這時(shí)質(zhì)子束每秒可在隧道內(nèi)狂飆１１２４５圈，單束能量達(dá)到７萬(wàn)億電子伏特，主要用于研究宇宙起源和各種基本粒子特性。）第六頁(yè)，共103頁(yè)。第七頁(yè)，共103頁(yè)。第八頁(yè)，共103頁(yè)。第九頁(yè)，共103頁(yè)。高能所粒子對(duì)撞機(jī)上海同步輻射光源合肥同步輻射光源蘭州重離子加速器所以繼盧瑟福之后，高能物理學(xué)家們能采用更高能量的粒子束去轟擊靶材，或與另一粒子束相撞，從粒子束的散射研究中來(lái)探索有關(guān)基本粒子結(jié)構(gòu)的信息。這反映了問(wèn)題的一個(gè)方面，即基礎(chǔ)研究越來(lái)越深入到微觀世界更細(xì)微的層次。這到今天還遠(yuǎn)沒(méi)有停止。第十頁(yè)，共103頁(yè)。在向物質(zhì)世界更微觀層次進(jìn)軍的同時(shí)，在另一方面，昔日的基礎(chǔ)研究不斷向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)化，促進(jìn)一系列小型化、低能量、但有更大束流強(qiáng)度、更好的工業(yè)實(shí)用性的粒子加速器的出現(xiàn)和發(fā)展。第十一頁(yè)，共103頁(yè)。第十二頁(yè)，共103頁(yè)。原子核物理學(xué)家和其他領(lǐng)域的科學(xué)家們結(jié)合起來(lái)，利用核物理和小型粒子加速器這一工具，向原子分子物理，固體物理、材料科學(xué)、以及化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、甚至藝術(shù)和考古學(xué)等方面滲透和發(fā)展，目前可以說(shuō)絕大多數(shù)的低能加速器的研究重點(diǎn)已從核物理本身轉(zhuǎn)移到與這些學(xué)科的交叉融合中。在這個(gè)過(guò)程中，不僅大大地促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)化，形成了一些生命力很強(qiáng)的交叉學(xué)科，而且把這些由實(shí)驗(yàn)核物理發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)直接為人類生產(chǎn)和生活服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)現(xiàn)代科技的發(fā)展和跟新?lián)Q代。例如：原始的盧瑟福背散射技術(shù)已成為表征固體材料的一種標(biāo)準(zhǔn)方法，可以用來(lái)測(cè)定固體物質(zhì)的成分，可以用來(lái)測(cè)定雜質(zhì)原子在各種材料、尤其是半導(dǎo)體中的分布；同時(shí)還有其它一系列的建立在帶電粒子與固體相互作用基礎(chǔ)上的高靈敏和高效率的微探針等離子束分析方法，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。而應(yīng)用高壓倍加器及其它低能加速器發(fā)展起來(lái)的離子注入技術(shù)更是在最近的半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，推動(dòng)了人類歷史上最顯著的的一次技術(shù)革命?！傅木褪前雮€(gè)世紀(jì)以來(lái)高速發(fā)展的半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)乃至計(jì)算機(jī)革命。當(dāng)然不是說(shuō)離子注入技術(shù)是這些技術(shù)革命的唯一推動(dòng)力，但離開(kāi)了被稱作三束技術(shù)的離子束、電子束和光子束，根本不可想象半導(dǎo)體生產(chǎn)還能進(jìn)入到今天的超大規(guī)模集成電路新時(shí)代，更別提現(xiàn)在日新月異的計(jì)算機(jī)和手機(jī)。第十三頁(yè)，共103頁(yè)。除了在半導(dǎo)體技術(shù)上的成就，離子束技術(shù)的另一樣顯著成就是在固體材料表面改性方面的大量應(yīng)用。而研究以上這些低能離子束應(yīng)用的學(xué)科正是這一門介于核物理與固體物理、材料物理之間的交叉學(xué)科——帶電粒子與固體的相互作用。所以，帶電粒子同固體相互作用物理學(xué)就是一門原子核物理和固態(tài)物理相互滲透的邊沿學(xué)科，也是理論和實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合的較新學(xué)科。它的發(fā)展和應(yīng)用不僅為研究固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)提供了強(qiáng)有力的工具，而且為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及人們生活提供更多更好的新型材料和高科技產(chǎn)品。第十四頁(yè)，共103頁(yè)。附：百度詞條：低能加速器的應(yīng)用

低能加速器的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，當(dāng)前，在世界各地運(yùn)行著的數(shù)千臺(tái)加速器中大多數(shù)是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的低能加速器。低能加速器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地改變了這些領(lǐng)域的面貌，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。加速器在工業(yè)中的應(yīng)用1）輻照加工應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子束或X射線進(jìn)行輻照加工已成為化工、電力、食品、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝，是一種新的加工技術(shù)工藝。它廣泛應(yīng)用于聚合物交聯(lián)改性、涂層固化、聚乙烯發(fā)泡、熱收縮材料、半導(dǎo)體改性、木材-塑料復(fù)合材料制備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過(guò)程。經(jīng)輻照生產(chǎn)的產(chǎn)品具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如：聚乙烯電纜經(jīng)105Gy劑量輻照后，其電學(xué)性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為60~70℃，輻照后長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120℃以上。當(dāng)前，中國(guó)已有用加速器進(jìn)行輻照加工的生產(chǎn)線40多條。2）無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)就是在不損傷和不破壞材料、制品或構(gòu)件的情況下，就能檢測(cè)出它們內(nèi)部的情況，判別內(nèi)部有無(wú)缺陷?，F(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測(cè)法等。射線檢測(cè)法即可檢查工件表面又可檢查工件內(nèi)部的缺陷。設(shè)備可以采用放射性同位素Co60產(chǎn)生的γ射線、X光機(jī)產(chǎn)生的低能X射線和電子加速器產(chǎn)生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領(lǐng)和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗(yàn)證手段及在質(zhì)量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應(yīng)堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機(jī)型。射線檢測(cè)的方法根據(jù)對(duì)透過(guò)工件的射線接受和處理方法的不同，又可把射線檢測(cè)法分為三種：a、射線照相法這種方法與我們體檢時(shí)拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時(shí)，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背后，用X射線對(duì)工件照射后，透過(guò)工件的射線使膠片感光，同時(shí)工件內(nèi)部的真實(shí)情況就反映到膠片的乳膠上，對(duì)感光后的膠片進(jìn)行處理后，就可以清楚地了解工件有無(wú)缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。b、輻射成像法這種方法的射線接受器是陣列探測(cè)器或熒光增感屏。前者就是清華大學(xué)和清華同方共同研制生產(chǎn)的大型集裝箱檢查系列產(chǎn)品。后者就是用于機(jī)場(chǎng)、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統(tǒng)，也可用于工業(yè)的無(wú)損檢測(cè)。這種方法配以圖像處理系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)顯示物品內(nèi)部的真實(shí)情況。c、工業(yè)CT與醫(yī)用CT原理類似，CT技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)。選用加速器作為X射線源的CT技術(shù)是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)手段，主要針對(duì)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和精密工件的檢測(cè)而發(fā)展起來(lái)。它的密度分辨率可達(dá)0.1%，比常規(guī)射線技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在航天、航空、兵器、汽車制造等領(lǐng)域精密工件的缺陷檢測(cè)、尺寸測(cè)量、裝配結(jié)構(gòu)分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。3）離子注入利用加速器將一定能量的離子注入到固體材料的表層，可以獲得良好的物理、化學(xué)及電學(xué)性能。半導(dǎo)體器件、金屬材料改性和大規(guī)模集成電路生產(chǎn)都應(yīng)用了離子注入技術(shù)。中國(guó)現(xiàn)擁有各類離子注入機(jī)100多臺(tái)。其中中國(guó)自己累計(jì)生產(chǎn)出140多臺(tái)離子注入機(jī)，能量為150KeV~600KeV（1KeV=1×103eV），流強(qiáng)為0.5mA到十幾mA。第十五頁(yè)，共103頁(yè)。加速器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用作為核技術(shù)應(yīng)用裝備的加速器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，在一些國(guó)家普遍使用已有明顯經(jīng)濟(jì)效益的主要有三方面：1）輻照育種加速器在輻照育種中的應(yīng)用，主要是利用它產(chǎn)生的高能電子、X射線、快中子或質(zhì)子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等，改變農(nóng)作物的遺傳特性，使它們沿優(yōu)化方向發(fā)展。通過(guò)輻射誘變選育良種，在提高產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)、縮短生長(zhǎng)期、增強(qiáng)抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經(jīng)過(guò)輻照育種后可具有高產(chǎn)、早熟、矮桿及抗病蟲(chóng)害等優(yōu)點(diǎn)。2）輻照保鮮輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學(xué)加工等傳統(tǒng)的保鮮方法之后，發(fā)展起來(lái)的一種新保鮮技術(shù)。例如，對(duì)馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經(jīng)過(guò)輻照處理，可抑制其發(fā)芽，延長(zhǎng)貯存期；對(duì)干鮮水果、蘑菇、香腸等經(jīng)過(guò)輻照處理，可延長(zhǎng)供應(yīng)期和貨架期。3）輻照殺蟲(chóng)、滅菌當(dāng)前，在農(nóng)產(chǎn)品、食品等殺蟲(chóng)滅菌普遍使用化學(xué)熏蒸法，由于使用溴甲烷、環(huán)氧乙烷等化學(xué)熏蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因，根據(jù)蒙特利爾公約，到2005年要在全球范圍內(nèi)禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品、食品等輻照殺蟲(chóng)、滅菌得以迅速發(fā)展。利用加速器產(chǎn)生的高能電子或X射線可以殺死農(nóng)產(chǎn)品、食品中的寄生蟲(chóng)和致病菌，這不僅可減少食品因腐敗和蟲(chóng)害造成的損失，而且可提高食品的衛(wèi)生檔次和附加值。第十六頁(yè)，共103頁(yè)。加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活和質(zhì)量的提高，人們對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生條件提出了更高的要求。而加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展和人類壽命的延長(zhǎng)。當(dāng)前，加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用主要有三個(gè)方面，即放射治療、醫(yī)用同位素生產(chǎn)以及醫(yī)療器械、醫(yī)療用品和藥品的消毒。1）放射治療用于惡性腫瘤放射治療（簡(jiǎn)稱放療）的醫(yī)用加速器是當(dāng)今世界范圍內(nèi)，在加速器的各種應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)量最大、技術(shù)最為成熟的一種。用于放療的加速器由50年代的感應(yīng)加速器，到60年代發(fā)展了醫(yī)用電子回旋加速器，進(jìn)入70年代醫(yī)用電子直線加速器逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。當(dāng)前，世界上約有3000多臺(tái)醫(yī)用電子直線加速器裝備在世界各地的醫(yī)院里。除了應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子線、X射線進(jìn)行放療外，還可應(yīng)用加速器進(jìn)行質(zhì)子放療、中子放療、重離子放療和π介子放療等，這些治癌方法還處在實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，價(jià)格昂貴得多，尚未普及。利用電子直線加速器開(kāi)展立體定向放療，俗稱X—刀，是數(shù)年來(lái)發(fā)展的新的放療技術(shù)。這種技術(shù)與常規(guī)放療相比，可多保護(hù)15%~20%的正常組織，而腫瘤增加20%~40%的劑量，可更有效地殺滅癌細(xì)胞，從而增加放療療效。60年代中國(guó)醫(yī)院裝備了醫(yī)用感應(yīng)加速器，70年代中期醫(yī)用電子直線加速器開(kāi)始裝備中國(guó)各地醫(yī)院。截止到2000年初，中國(guó)已擁有各種能量的醫(yī)用加速器約530臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)醫(yī)用加速器約230臺(tái)，進(jìn)口醫(yī)用加速器約300臺(tái)。2）醫(yī)用同位素生產(chǎn)現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤，如今已確定為臨床應(yīng)用的約80種同位素，其中有2/3是由加速器生產(chǎn)的，尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產(chǎn)。這些短壽命同位素主要應(yīng)用在以下方面：a、正電子與單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描—PET與SPECTPET是由病人先吸入或預(yù)先注射半衰期極短的發(fā)射正電子的放射性核素，通過(guò)環(huán)形安置的探測(cè)器從各個(gè)角度檢測(cè)這些放射性核素發(fā)射正電子及湮滅時(shí)發(fā)射的光子，由計(jì)算機(jī)處理后重建出切面組織的圖像。而這些短壽命的放射性核素是由小回旋加速器制備的。最短的半衰期核素如15O僅為123秒，一般為幾分鐘到1小時(shí)左右。所以，這種加速器一般裝備在使用PET的醫(yī)院里。生產(chǎn)PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了眾多的加速器生產(chǎn)廠開(kāi)發(fā)研制。當(dāng)前，國(guó)外幾個(gè)加速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的小回旋加速器已達(dá)到幾十臺(tái)。b、圖像獲取利用放射性核素進(jìn)行閃爍掃描或利用γ照相獲取圖像的方法，可以診斷腫瘤、檢查人體臟器和研究它們的生理生化功能和代謝狀況，獲取動(dòng)態(tài)資料。例如201Tl用于心肌檢查，對(duì)早期發(fā)現(xiàn)冠心病和心肌梗塞的定位等是當(dāng)前最靈敏的檢查手段。而這些放射性核素絕大部分也是由加速器生產(chǎn)的。3）輻照消毒利用加速器對(duì)醫(yī)用器械、一次性醫(yī)用物品、疫苗、抗生素、中成藥的滅菌消毒是加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面應(yīng)用的一個(gè)有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲(chóng)、滅菌道理一樣，可取代當(dāng)前應(yīng)用的高溫消毒、化學(xué)消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大于殺蟲(chóng)所需的劑量。第十七頁(yè)，共103頁(yè)。粒子（微觀粒子）帶電粒子：電子、質(zhì)子、質(zhì)量不等的各種離子、帶電的基本粒子

中性粒子：原子、中子、中性介子和中微子等粒子與固體相互作用物理學(xué)是討論一束質(zhì)量為M1,電荷為Z1e的帶電粒子（有時(shí)也叫投射體，通俗點(diǎn)的叫法還稱為子彈）以速度v打到一片含有原子序數(shù)為Z2和質(zhì)量為M2的固態(tài)物質(zhì)（有時(shí)也叫基體，或靶）上，所發(fā)生的相互作用現(xiàn)象和物理過(guò)程。研究對(duì)象：1、帶電的入射粒子，不包括中性粒子2、固態(tài)靶物質(zhì)可以是由單元素原子構(gòu)成，也可以是由單元素原子、甚至是分子、高分子（如聚合物）的形式存在。3、相互作用現(xiàn)象和物理過(guò)程：包括碰撞、散射、慢化、移位、激發(fā)和電離、損傷、能量淀積、粒子射程與分布、濺射效應(yīng)、溝道效應(yīng)、增強(qiáng)擴(kuò)散效應(yīng)等，但不包括入射粒子同靶原子核之間發(fā)生核反應(yīng)這類現(xiàn)象和過(guò)程。第十八頁(yè)，共103頁(yè)。本節(jié)目的：明確一下，什么是離子束技術(shù)？離子束技術(shù)都包括些什么內(nèi)容？離子束——利用特定的設(shè)備產(chǎn)生，并經(jīng)過(guò)引出、加速過(guò)程而形成的具有一定能量（一般是幾百eV～MeV范圍）的載能帶電粒子流。離子束技術(shù)——包括離子束的產(chǎn)生技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)。離子束的產(chǎn)生技術(shù)包括離子源及注入機(jī)技術(shù)。第十九頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入技術(shù)（Ionimplantation）離子束沉積（IBD—IonBeamDepositon）離子束輔助沉積（IBAD—IonBeamAssistedDepositon）離子束濺射（IBS—IonBeamSputtering）離子束混合（IBM—IonBeamMixing）離子束分析（IBA—IonBeamAnalysis）第二十頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入——指的是能量在keV～MeV范圍內(nèi)的離子束經(jīng)過(guò)與固態(tài)基體原子的碰撞而逐漸損失能量，最終導(dǎo)入并停留在基體表面層內(nèi)的過(guò)程。離子注入示意圖

在所有離子束技術(shù)中，離子注入，是被研究得最多、理論體系最豐富、應(yīng)用也最廣的一部分，也是我們這門課的主要部分。自二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，它被廣泛地用于超大規(guī)模集成電路的研究與生產(chǎn)，化合物半導(dǎo)體的研究，金屬材料表面改性的研究，以及光學(xué)材料、超導(dǎo)材料和磁性材料的研究中，在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究中都起到了重要作用。關(guān)鍵詞：反沖移位級(jí)聯(lián)碰撞射程注入目的：改變材料（靶）表層的組分或結(jié)構(gòu)以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)第二十一頁(yè)，共103頁(yè)。離子源產(chǎn)生大量的碳離子，并通過(guò)電磁場(chǎng)加速使碳離子直接沉積于基體表面形成DLC膜離子能量多在幾百eV離子束沉積指的是能量較低的離子在到達(dá)靶材料表面時(shí)不注入到表面層里面，而是直接沉積在表面上形成一層均勻的膜。我們可以根據(jù)需要控制離子束的劑量以獲得需要的膜厚。如果是兩個(gè)不同的離子源……化合物膜第二十二頁(yè)，共103頁(yè)。離子束輔助沉積也叫離子束增強(qiáng)沉積。利用電子束或激光束或常規(guī)真空蒸發(fā)起來(lái)的原子或原子團(tuán)沉積到基體表面形成膜。在成膜的同時(shí),用離子束對(duì)正在生長(zhǎng)的膜層進(jìn)行轟擊(即：蒸發(fā)+離子束轟擊)?！纳莆⒂^結(jié)構(gòu)，使沉積的膜致密化(這就像把剛鋪的路面夯實(shí)一樣)。同時(shí)，部分沉積的原子被碰撞獲得能量后反沖注入到基體表面，在沉積膜和基體之間形成過(guò)渡到合金層或化合層，從而增強(qiáng)膜和基體之間的附著力。離子能量：幾十～1500ev第二十三頁(yè)，共103頁(yè)。離子束濺射則是利用離子束轟擊過(guò)程中在靶材表面產(chǎn)生濺射效應(yīng)去達(dá)到某些特定目的的技術(shù)。IBSD是利用離子束濺射的最有代表性的技術(shù)第二十四頁(yè)，共103頁(yè)。雙離子束濺射沉積（DISBD）裝置示意圖IBAD和IBSD的結(jié)合

第二十五頁(yè)，共103頁(yè)。離子束混合是指離子束引起界面反應(yīng)和原子混合的現(xiàn)象?？焖匐x子轟擊不同元素的層狀薄膜系統(tǒng)，引起了原子移位，原子移位可能導(dǎo)致原子在固體中的輸運(yùn)?，F(xiàn)有研究表明，這個(gè)輸運(yùn)可以通過(guò)反沖注入，級(jí)聯(lián)碰撞以及輻射增強(qiáng)擴(kuò)散等過(guò)程，使固體中的原子從原始位置傳輸?shù)揭欢ǖ木嚯x，導(dǎo)致原子混合。例如：在基片表面先沉積一層（膜厚﹤1000?）或幾層（每層小于150?）不同物質(zhì)的膜（總厚小于1000?），用高能重離子轟擊膜層，使膜與基片表面混合，或多層膜之間混合，形成新的表面材料層。對(duì)離子束的要求：離子能量盡量高（200～300keV以上）較重的惰性氣體離子，如Ar＋特點(diǎn)：?獲得常規(guī)冶金方法得不到新材料。

?比離子注入法更經(jīng)濟(jì)第二十六頁(yè)，共103頁(yè)。顧名思義，就是利用離子束作為手段和工具，達(dá)到分析固體材料組分結(jié)構(gòu)等信息的目的。第二十七頁(yè)，共103頁(yè)。離子束技術(shù)最早主要是應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，可以說(shuō)是應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)的需要而發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)。1952年，也就是晶體管發(fā)明后第四年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始研究用離子束轟擊技術(shù)來(lái)改善半導(dǎo)體特性。在半導(dǎo)體表面用H+離子轟擊形成p-n結(jié)，做成了具有短波長(zhǎng)響應(yīng)的太陽(yáng)能電池。1954年，Shockley提出采用離子注入技術(shù)能夠制造半導(dǎo)體器件，并且預(yù)見(jiàn)到采用這種方法可以制造基區(qū)很薄的高頻晶體管。但是，當(dāng)時(shí)人們對(duì)于p-n結(jié)形成的機(jī)理卻不清楚，所以這一新技術(shù)沒(méi)有得到人們的足夠重視。第二十八頁(yè)，共103頁(yè)。隨著原子能技術(shù)和宇宙探索技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)于離子束及其對(duì)固體物質(zhì)轟擊效應(yīng)的研究，離子轟擊對(duì)半導(dǎo)體材料的損傷以及通過(guò)退火消除損傷等基本工藝的研究和產(chǎn)生，同時(shí)隨著強(qiáng)離子束設(shè)備的出現(xiàn)等，為離子束技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，也就是在50年代末，60年代初，由于宇宙航行、軍事電子對(duì)抗和各種功能的電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體器件和電路的生產(chǎn)提出了更高的性能要求（體積要更小，電路集成度要更高，更利于攜帶和運(yùn)輸，速度要求更快，性能要求更可靠等）。這樣一來(lái)，原有的生產(chǎn)工藝已經(jīng)不能滿足這些要求，限制了半導(dǎo)體性能的進(jìn)一步提高。離子注入技術(shù)，則正是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體摻雜新工藝。第二十九頁(yè)，共103頁(yè)。

二極管：1200℃高溫?cái)U(kuò)散，難以精確控制，不同批次的器件，性能很難

完全相同

三極管：

精確度更不好控制如果集成度變高，管子變小，這種不確定性的影響將更大。三極管芯結(jié)構(gòu)剖面圖第三十頁(yè)，共103頁(yè)。可以獨(dú)立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時(shí)間）各向異性摻雜容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。第三十一頁(yè)，共103頁(yè)。

離子注入a) 低摻雜濃度(n–,p–)和淺結(jié)深(xj)掩蔽層掩蔽層硅襯底xj低能量低濃度快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機(jī)b) 高摻雜濃度(n+,p+)和深結(jié)深(xj)束掃描高能量高濃度慢速掃描掩蔽層掩蔽層硅襯底xj離子注入機(jī)控制雜質(zhì)濃度和深度第三十二頁(yè)，共103頁(yè)。無(wú)論是摻雜的濃度，還是深度，還是側(cè)向的擴(kuò)散問(wèn)題，它們的可控性都要極大地好于擴(kuò)散工藝。擴(kuò)散離子注入高溫，硬掩膜900－1200℃低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度第三十三頁(yè)，共103頁(yè)。于是，在六十年代，離子注入技術(shù)又再度興起。這時(shí)，Lindhard，Scharff和Schiott發(fā)表了“射程概念和重離子射程”的重要論文，提出了無(wú)定形靶離子注入射程分布的理論，這就是著名的LSS理論，這時(shí)迄今為止離子注入領(lǐng)域最為基本，也是最為重要的理論之一。這個(gè)理論也是我們這個(gè)課程學(xué)習(xí)中極為重要的一部分內(nèi)容。隨后，Davies用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論在實(shí)際應(yīng)用方面的指導(dǎo)意義。1961年，第一個(gè)實(shí)用的離子注入器件——離子注入硅離子探測(cè)器問(wèn)世，其性能絲毫不遜色于常規(guī)工藝制造的同類器件。在當(dāng)時(shí)，這一事實(shí)雄辯地說(shuō)明，離子注入技術(shù)具有深遠(yuǎn)的工業(yè)生產(chǎn)意義。1963年，Macaldin在硅片中注入了高濃度的銫離子，形成了p-n結(jié)，說(shuō)明熱擴(kuò)散不易摻進(jìn)的雜質(zhì)，也能用離子注入技術(shù)摻進(jìn)半導(dǎo)體材料中，進(jìn)一步證實(shí)了離子注入技術(shù)的優(yōu)越性。從此，用離子注入技術(shù)陸續(xù)制成了許多不同類型的半導(dǎo)體器件，作為注入設(shè)備的加速器技術(shù)也不斷發(fā)展，與此同時(shí)，離子與固體相互作用的基本理論和離子注入基本工藝的研究也有了更大的進(jìn)展。第三十四頁(yè)，共103頁(yè)。在七十年代，Winterbon，Sigmund和Sanders三人將Lindhard的射程分布的理論方法，推廣和應(yīng)用到能量沉積分布中，形成了能量沉積分布理論，也成為WSS理論，這也是一個(gè)重要的基本理論。1972年以后，離子注入在MOS集成電路中成功地被用來(lái)調(diào)整閥值電壓，以便降低電路的功耗，或者是增加電路的可靠性，并且利用離子注入降低了極間潛布電容，提高了電路的速度。再往后，離子注入技術(shù)被更加普遍地應(yīng)用于半導(dǎo)體和微電子工業(yè)的生產(chǎn)和研究上，研究范圍越來(lái)越廣泛、深入，電路的集成度，速度和壽命得到了大大的提高，而電路的功耗卻大為下降。1977年以后，又用離子注入研制出比硅集成電路速度更高的GaAs高速集成電路，同時(shí)，離子注入集成光路的研究也取得了重要進(jìn)展，促進(jìn)了光電技術(shù)的發(fā)展。第三十五頁(yè)，共103頁(yè)。超大規(guī)模集成電路在這期間得到了飛速發(fā)展。

60年代92年（一個(gè)芯片上的管子數(shù)的變化，摩爾定律）

1K500M（3個(gè)月芯片管子數(shù)翻一番）從早期的286計(jì)算機(jī)到今天咱們能享用高性能的筆記本電腦，離開(kāi)離子注入技術(shù)這一切都是不可想象的。現(xiàn)在，太空里飛的飛船、衛(wèi)星，到日常所用的電視機(jī)，洗衣機(jī)，手機(jī)，相機(jī)，眼鏡等，哪里都能找到離子束技術(shù)的影子。第三十六頁(yè)，共103頁(yè)。前面主要說(shuō)的是基本理論和在半導(dǎo)體器件和微電子中作為微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展歷史。離子束技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域——離子束材料改性，則起源于60年代末70年代初，到70年代中后期，英國(guó)哈威爾原子能研究中心研制出強(qiáng)束流氮離子注入機(jī)，使得離子束材料改性開(kāi)始走向一定規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)階段。80年代初，離子束混合技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)離子束冶金學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，制備出了大量的亞穩(wěn)態(tài)合金相。80年代中期，金屬蒸發(fā)真空弧離子源（MEVVA）和其他一些金屬離子源的問(wèn)世，為離子束材料改性和相關(guān)的基礎(chǔ)研究提供了更先進(jìn)的工具，并且在工業(yè)上也取得了重要進(jìn)展。（低能所的一些工作）第三十七頁(yè)，共103頁(yè)。與此同時(shí)，為克服注入層淺的問(wèn)題，人們又開(kāi)始廣泛研究離子束輔助沉積技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛用于電子材料領(lǐng)域和人工關(guān)節(jié)改性等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。離子束技術(shù)還用在其他許多領(lǐng)域，如SOI材料，硅化物材料，離子束分析，刻蝕，清洗等，都有顯著的發(fā)展?？傊?，離子束技術(shù)發(fā)展時(shí)間雖不長(zhǎng)，但取得了豐碩的成果，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上都起著非常重要的作用。同時(shí)，縱觀這一學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展歷史，也印證了前面提過(guò)的一句話，就是這一學(xué)科從一開(kāi)始就是理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合并且應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。第三十八頁(yè)，共103頁(yè)。一、微電子工業(yè)

<一>半導(dǎo)體器件與集成電路

1.表面精細(xì)摻雜工藝——大規(guī)模集成電路微細(xì)加工的支柱技術(shù)之一。精細(xì)——調(diào)節(jié)注入離子的能量和劑量可精確控制摻雜溫度和摻雜量。實(shí)現(xiàn)精細(xì)摻雜的兩個(gè)突破：①摻雜結(jié)深和線寬均小于1μm，稱為亞微米摻雜。半導(dǎo)體器件最細(xì)線：1μm0.3-0.5μm0.25μm0.18μm0.1μm納米級(jí)

90年代初90年代末②摻雜的濃度低到5×1015/cm3~1×1016/cm3的數(shù)量，剛剛補(bǔ)償?shù)艄璞菊鬏d流子濃度，這在MOS電路中調(diào)整閥值是非常成功，非常重要的。集成電路——功耗大幅度下降，集成規(guī)模迅速增大。這是微電子生產(chǎn)線上的常規(guī)工藝，也是不可或缺的重要工藝。第三十九頁(yè)，共103頁(yè)。2.制備電路中的級(jí)間的互連、引線及歐姆接觸材料。①離子束濺射沉積+退火②金屬離子束直接注入+退火3.SOI材料二十一世紀(jì)，超大規(guī)模集成電路的替代材料，單晶硅下SiO2埋層。①注入O+②氧化——注入H——智能剝離4.離子束光刻5.聚焦離子束——超精細(xì)加工，局部加工、修復(fù)（小手術(shù)刀）第四十頁(yè)，共103頁(yè)。1.抗磨損（提高硬度降低摩擦）：鋼鐵（各種金屬及合金）——機(jī)械零件、工具、模具、軸承、汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)床等。合金的冶煉：傳統(tǒng)意義上的工藝——炒菜式的。局限：固溶度限制，無(wú)法或不易合成，不穩(wěn)定易分解。離子束冶金——沒(méi)有這個(gè)局限，但只能在表面層——材料表面改性（表面層有表面層的好處）醫(yī)學(xué)上：醫(yī)用人工關(guān)節(jié)——表面注入或鍍膜，假牙（鈦合金為主）2.抗腐蝕：鋼鐵、合金——海軍飛機(jī)零件、機(jī)械零件、人工關(guān)節(jié)、榨果汁（飲料業(yè)）3.抗氧化：各種軸承，機(jī)械零件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口4.抗沖擊：模具（沖壓成型）5.耐熱：飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管。6.增加韌性：陶瓷7.光學(xué)材料：改變折射率、改變光運(yùn)行路線、光集成電路8.超導(dǎo)：改變成分配比第四十一頁(yè)，共103頁(yè)。三、離子束分析盧瑟福背散射（RBS——RutherfordBackSputtering）——分析材料中組分的濃度深度分布。彈性反沖粒子探測(cè)技術(shù)（ERD——ElasticRecoilDetection）——同上溝道譜分析——晶體晶格損傷二次離子質(zhì)譜（SIMS——SecondaryIonMassSpectrometry）——雜質(zhì)深度剖面分析質(zhì)子熒光分析（PIXE）——表面雜質(zhì)含量四、離子束生物工程：花卉、農(nóng)作物（甜菊、紫玉米、大豆等）育種，微生物改性，重離子治癌等五、薄膜：離子束沉積（氣敏膜等功能薄膜、類金剛石薄膜、陶瓷如TiN薄膜），輔助沉積，濺射沉積六、其他：如清洗（使材料表面潔凈），減薄，刻蝕等第四十二頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入技術(shù)的三大基本要素：(1)

離子的產(chǎn)生(2)

離子的加速(3)

離子的控制§1.6離子注入機(jī)簡(jiǎn)介離子注入機(jī)的基本組成部分有：離子源、聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、分析磁鐵、掃描裝置和靶室。第四十三頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入系統(tǒng)

離子源：用于離化雜質(zhì)、產(chǎn)生離子的裝置。

質(zhì)量分析器：不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷，因而在質(zhì)量分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。

加速系統(tǒng)（加速器）：為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。

中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。

聚焦系統(tǒng)：將離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。

偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：使離子束沿x、y

方向掃描。

工作室（靶室）：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。第四十四頁(yè)，共103頁(yè)。離子源分析系統(tǒng)加速系統(tǒng)聚焦掃描靶室電源真空冷卻控制測(cè)量第四十五頁(yè)，共103頁(yè)。一切原子是呈電中性的。當(dāng)原子核外層電子被剝掉一個(gè)或幾個(gè)后，原子即變成帶有一個(gè)或幾個(gè)正電荷的離子。當(dāng)代物理學(xué)家或工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域興趣之所在，并不是單個(gè)的離子，而是由很多離子形成的離子束。第四十六頁(yè)，共103頁(yè)。自從人們認(rèn)識(shí)原子核結(jié)構(gòu)后，就有了“人工制造”離子束(有時(shí)稱離子束為束流)的想法，這種產(chǎn)生離子束的裝置叫離子源。離子源就像一個(gè)噴泉，通過(guò)某種機(jī)制，源源不斷地噴射出具有一定能量和品質(zhì)的帶電粒子束。第四十七頁(yè)，共103頁(yè)。離子源首先通過(guò)某種機(jī)制，在一個(gè)真空容器(稱為電離室)內(nèi)使電子從原子中剝離出來(lái)形成由離子和電子組成的一種“電離氣體”，這種“電離氣體”中充滿了帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的電子，但總體上說(shuō)，正電荷的總量和負(fù)電荷的總量是相抵消的，這種電離氣體基本上呈電中性，我們稱這種電離氣體為等離子體。第四十八頁(yè)，共103頁(yè)。使原子電離的機(jī)制有很多，最常見(jiàn)常用的機(jī)制如右圖所示。第四十九頁(yè)，共103頁(yè)。一般在電離室外圍，都附加有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)具有一定的分布形式，通過(guò)磁場(chǎng)約束等離子體迫使等離子體中的電子按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以使電子具有較長(zhǎng)時(shí)間的壽命，有機(jī)會(huì)與更多的原子或離于碰撞、電離，產(chǎn)生更多的離子或產(chǎn)生更高電荷態(tài)的離子。第五十頁(yè)，共103頁(yè)。如果在電離室上施加一正高壓，在與之隔離的另一端通過(guò)一電極接地或加一負(fù)電壓，在電離室和電極之間便形成了電場(chǎng)，即電離室和電離室內(nèi)的等離子體處于高電位，電極處于低電位，在這樣的電場(chǎng)作用下，等離子體中帶正電荷的離子就會(huì)從高電位“跑向”低電位，通過(guò)孔或狹縫源源不斷地噴射出來(lái)，形成離子束．離子束所具有的能量取決于施加在電離室上的高壓。第五十一頁(yè)，共103頁(yè)。第五十二頁(yè)，共103頁(yè)。引出離子束束流強(qiáng)度的大小與等離子體中電子和離子的密度及溫度(即熱運(yùn)動(dòng)的能量）、電離室外施加的磁場(chǎng)分布、放電機(jī)制、電離室內(nèi)的工作氣壓、引出孔或縫的大小、施加的高壓、引出電極的形狀等諸多因素有關(guān)。離子源中離子的電荷態(tài)主要取決于等離子體中電子的能量、離子的壽命和等離子體的密度?？梢哉f(shuō)，一臺(tái)離子源的性能根本上是由電離室內(nèi)等離子體的性能決定。第五十三頁(yè)，共103頁(yè)。等離子體的性能與下列因素密切相關(guān)：產(chǎn)生等離子體的放電機(jī)制；其中的原子物理過(guò)程；周圍的磁場(chǎng)和電勢(shì)分布；放電室表面狀況及伴隨所發(fā)生的相關(guān)效應(yīng)；放電室內(nèi)工作氣壓；為加工離子源所涉及到的尖端技術(shù)和工藝。第五十四頁(yè)，共103頁(yè)。離子源是離子注入機(jī)最主要的部件之一。它決定了離子注入機(jī)所能提供的注入元素，也決定了這種離子注入機(jī)的用途。第五十五頁(yè)，共103頁(yè)。早在19世紀(jì)末，就出現(xiàn)了利用氣體放電的原理產(chǎn)生離子的離子源，然而，直到20世紀(jì)30年代，才開(kāi)始發(fā)展真正高性能的離子源。到了50年代，在核物理研究和加速器發(fā)展的推動(dòng)下，離子源發(fā)展極為迅速，這期間發(fā)明了許多不同種類的離子源，但主要是以產(chǎn)生單電荷態(tài)離子為主（即只能剝掉原子核外層一個(gè)電子）。第五十六頁(yè)，共103頁(yè)。60年代后，多電荷態(tài)(原子核外層多個(gè)電子被剝掉)離子源成為離子源發(fā)展的新寵，開(kāi)始主要是為滿足重離子物理研究的需要。對(duì)多電荷態(tài)離子源發(fā)展起革命性影響的是70年代誕生的電子回旋共振(electroncyclotronresonance)離子源（簡(jiǎn)稱ECR源），和80年代誕生的金屬蒸氣真空弧離子源（簡(jiǎn)稱MEVVA源）。第五十七頁(yè)，共103頁(yè)。1、雙等離子體離子源這種離子源的原理圖如此圖所示，將所需注入的氣體原子或固體經(jīng)氣化的原子通入放電室，使放電室內(nèi)保持一定氣壓，大約是1.0Pa。電子從加熱到白熾狀態(tài)的陰極上發(fā)射出來(lái)，在起弧電場(chǎng)的作用下獲得足夠的能量，與放電室內(nèi)氣體原子碰撞，結(jié)果引起原子激發(fā)和電離。等離子體在中間電極錐形口處受電場(chǎng)的約束是濃度增加，形成所謂的等離子體泡。由于中間電極是錐形體，且在電極外有105～106A/m的非均勻磁場(chǎng)，這對(duì)等離子體有壓縮作用。因此錐形體口處電離密度將比等離子體泡處大得多，這時(shí)在引出極加上負(fù)電壓就可引出等離子束。第五十八頁(yè)，共103頁(yè)。2、高頻放電離子源

其結(jié)構(gòu)圖如圖所示，將所需引出的氣體原子或金屬蒸汽通入石英放電室，室內(nèi)氣壓為1.0Pa，在放電室外有一高頻線圈，使放電室內(nèi)保持10～100MHz的高頻磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致放電室氣體電離，放電室頂端是陽(yáng)極，陽(yáng)極上加3KV的正電壓，在放電室下部有一小孔（φ1mm）為引出電極。當(dāng)放電室放電形成等離子體后，在陽(yáng)極上加正電壓，從而使等離子體中的正離子從引出電極小孔中引出而形成離子束。第五十九頁(yè)，共103頁(yè)。3、潘寧離子源

其結(jié)構(gòu)如圖所示，放電室由陽(yáng)極A、陰極C1和對(duì)陰極C2組成。陰極和對(duì)陰極處在同電位。陽(yáng)極為一圓筒，從陰極C1上發(fā)射的電子，在電場(chǎng)區(qū)受到加速，由于陽(yáng)極筒外有軸向強(qiáng)磁場(chǎng)存在，使電子能螺旋運(yùn)動(dòng)到對(duì)陰極C2上去，而當(dāng)電子接近C2時(shí)，它又受到C2電壓的反向加速而被反射回來(lái)，重新向C1運(yùn)動(dòng)。這樣，電子在陰極和對(duì)陰極之間來(lái)回做螺旋運(yùn)動(dòng)，從而增加了電子與放電室內(nèi)氣體原子的碰撞幾率，得到高密度的等離子體，等離子體中的正離子從對(duì)陰極孔中引出而成為離子束。第六十頁(yè)，共103頁(yè)。4、弗里曼離子源其結(jié)構(gòu)如圖所示，氣體或蒸汽進(jìn)入到石墨放電室內(nèi)，放電室中心有一鎢絲（φ1mm）做陰極，與陰極平行開(kāi)著一長(zhǎng)孔縫（1×40mm）作為引出極，放電室外部有一磁場(chǎng)起著輔助電離作用，當(dāng)鎢絲加熱時(shí)，大量的電子從鎢絲上奔向石墨陽(yáng)極，從而將放電室內(nèi)氣體電離，在引出孔外，有一加負(fù)電位的引出極，它將正離子從放電室中引出而形成離子束。第六十一頁(yè)，共103頁(yè)。5、微波離子源微波離子源的原理是靠微波加速放電室內(nèi)的電子，使電子獲得高能量。在放電室外安置磁場(chǎng)以增加電子回旋路程，從而增加等離子電離度。電離時(shí)氣壓可低到10-1～10-2Pa，這是該離子源的一個(gè)特點(diǎn)。由于電離度高可使氬離子束達(dá)到200mA，氧離子束能達(dá)到110mA。因此它很適用于氧注入硅形成SOI材料的強(qiáng)流氧離子注入機(jī)。低能所用于研究SOI材料制造的氧離子注入機(jī)采用的就是俄羅斯生產(chǎn)的微波離子源。第六十二頁(yè)，共103頁(yè)。電子回旋共振離子源是利用一種高頻電磁波(微波)中的電場(chǎng)加熱電子，使電子具有足夠高的能量，這些電子與氣體中的原子碰撞，“打掉”氣體原子的外層電子而產(chǎn)生多電荷態(tài)離子，并利用磁場(chǎng)來(lái)約束電子，使電子不能逃逸，有機(jī)會(huì)獲得更高的能量，與更多的原子或離子碰撞，打掉更多的電子，也就是說(shuō)，產(chǎn)生更高電荷態(tài)的離子。電子回旋共振離子源最大的優(yōu)點(diǎn)是高電荷態(tài)離子束流強(qiáng)(離子束流強(qiáng)度可近似理解為離子數(shù)目的多少)，電荷態(tài)高，有許多原子的外層電子幾乎可全部被剝離掉。離子源本身可長(zhǎng)期；穩(wěn)定可靠地工作，沒(méi)有壽命問(wèn)題。正因?yàn)槿绱?，這種離子源才會(huì)如此備受青睞。第六十三頁(yè)，共103頁(yè)。一般純金屬熔點(diǎn)較高，難于氣化，用絕大多數(shù)離子源僅能得到少數(shù)幾種金屬離子，不能滿足金屬離子注入的要求。第六十四頁(yè)，共103頁(yè)。８５年，加州理工大學(xué)伯克利實(shí)驗(yàn)室的布朗發(fā)明了ＭＥＶＶＡ源，解決了這個(gè)問(wèn)題。特點(diǎn)：１、幾乎可以引出元素周期表上所有可以導(dǎo)電的元素的離子束，包括Ｃ、Ｓｉ等非金屬，以及從導(dǎo)電化合物中引出混合離子束。２、引出的離子束中多電荷離子的比例大（見(jiàn)表格）。第六十五頁(yè)，共103頁(yè)。該離子源工作時(shí)不需要輔助氣體，工作真空度達(dá)４ｘ１０－４Ｐａ以上。基本工作原理：利用陰極和陽(yáng)極間的真空弧放電。熔融狀的陰極斑。陰極由所需離子的導(dǎo)電固體材料制成。起弧電壓（弧壓）和觸發(fā)電壓弧壓不能直接形成真空弧放電，必須經(jīng)過(guò)觸發(fā)電極的觸發(fā)，在陰極表面產(chǎn)生少量等離子體，當(dāng)?shù)入x子體到達(dá)陽(yáng)極，使主?。帢O和陽(yáng)極間）電路接通，這時(shí)才形成真空弧放電。第六十六頁(yè)，共103頁(yè)。離子源---無(wú)窮的魅力，戲劇性傳奇色彩，極具“魔力”的挑戰(zhàn)性離子源的設(shè)計(jì)、建造，特別是調(diào)試，還處于半理論和半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，沒(méi)有完整的理論可遵循第六十七頁(yè)，共103頁(yè)。許多國(guó)外同行常說(shuō)的那樣，電子回旋共振離子源本身就像魔術(shù)一樣，有時(shí)神秘莫測(cè)，變化無(wú)常，但在某些方面又顯得相當(dāng)簡(jiǎn)潔，富有規(guī)則而較易理解。雖然電子回旋共振離子源的發(fā)展已近30年，目前在國(guó)際上各領(lǐng)域有近二三百臺(tái)這種離子源在運(yùn)行，還有更多的正在建造之中，但它的許多基本原理和工作機(jī)制至今還不甚清楚。一臺(tái)高電荷態(tài)電子回旋共振離子源的設(shè)計(jì)、建造，特別是調(diào)試，還處于半理論和半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，沒(méi)有完整的理論可遵循，常常是一系列新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果使理論研究者大出所料，目瞪口呆，難于置信，在這方面理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。在電子回旋共振離子源的研制中，無(wú)權(quán)威可言，只要你不斷努力、嘗試，總會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。新的進(jìn)展使你驚喜萬(wàn)分，但又常常迷惑不解。在國(guó)際電子回旋共振離子源領(lǐng)域，沒(méi)有人敢夸口他的離子源所創(chuàng)束流紀(jì)錄可保持半年。新的思想、新的結(jié)果、新的技術(shù)乃至許許多多的小竅門總是層出不窮；相互競(jìng)爭(zhēng)激烈，而相互交流勾通又是那么廣泛。至今，幾乎每一臺(tái)電子回旋共振離子源都能一直正常工作，但是，一臺(tái)好的離子源和另一臺(tái)差的離子源相比，其性能和束流指標(biāo)千差萬(wàn)別。第六十八頁(yè)，共103頁(yè)。在微波離子源中，當(dāng)你向離子源中摻入一種比工作氣體較輕的氣體時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)工作物質(zhì)的高電荷態(tài)離子產(chǎn)額可大幅度提高。這種現(xiàn)象叫摻氣效應(yīng)，這種效應(yīng)是在一次偶然的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。現(xiàn)在幾乎所有的電子回旋共振離子源都在使用這種效應(yīng)以提高高電荷態(tài)離子束流強(qiáng)，這種方法看起來(lái)是如此之簡(jiǎn)單，可效果非常明顯。但在過(guò)去的15年里，有許多實(shí)驗(yàn)小組都試圖從理淪和實(shí)驗(yàn)上給予解釋，然而到目前為止，還沒(méi)有一種完善的解釋能自圓其說(shuō)，令人信服。第六十九頁(yè)，共103頁(yè)。在1995年之前，幾乎所有的電子回旋共振離子源都只用一種頻率的微波加熱電子。有人曾提出試圖把兩種不同頻率的微波同時(shí)饋入到離子源中，用以提高加熱電子的效率，這種想法幾乎遭到所有“權(quán)威”的否定，他們認(rèn)為不可能．美國(guó)貝克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的謝祖棋博士，大膽地從實(shí)驗(yàn)上做了嘗試，出人意料地發(fā)現(xiàn)高電荷態(tài)離子產(chǎn)額大幅度提高了，但其詳盡的物理解釋還不甚明確，以至于兩年后，有同行用實(shí)驗(yàn)重復(fù)證實(shí)了這個(gè)結(jié)果以后，國(guó)際電子回旋共振離子源先驅(qū)者之一的梯姆·昂塔亞(T．Antaya)博土在國(guó)際會(huì)議上感嘆；“我真為雙頻加熱擔(dān)心，物理機(jī)制何在?但它又是確定無(wú)誤的實(shí)驗(yàn)事實(shí)!”第七十頁(yè)，共103頁(yè)。電子束離子源(另外一種多電荷態(tài)離子源)的科學(xué)家們至少可以理解他們的電子束離子源為什么工作運(yùn)行得如此糟糕，而可憐的微波離子源的科學(xué)家總是不明白他們的微波離子源為什么工作運(yùn)行得如此之好!第七十一頁(yè)，共103頁(yè)。這便是離子源魔力之所在。這種魔力驅(qū)使人們不斷地去探索、思考，不斷地提出新的思想、新的概念，去揭示其中的奧妙。第七十二頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入機(jī)按能量大小可分為：低能注入機(jī)（5～50keV）能量大小中能注入機(jī)（50～200keV）高能注入機(jī)（0.3～5MeV）按束流強(qiáng)度大小可分為：低束流注入機(jī)（幾μA左右）束流大小中束流注入機(jī)（幾μA～幾百μA）高束流注入機(jī)（幾mA～幾十上百mA）按束流工作狀態(tài)可分為：穩(wěn)流注入機(jī)束流狀態(tài)脈沖注入機(jī)按使用目的可分為：半導(dǎo)體精細(xì)摻雜注入機(jī)離子束分析用注入機(jī)使用目的材料表面改性用離子注入機(jī)其他第七十三頁(yè)，共103頁(yè)。使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，分出中性粒子流中性束路徑類似電視機(jī)，讓束流上下來(lái)回的對(duì)圓片掃描二、半導(dǎo)體微電子工業(yè)用離子注入系統(tǒng)第七十四頁(yè)，共103頁(yè)。磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶r第七十五頁(yè)，共103頁(yè)。GraphiteIonsourceAnalyzingmagnetIonbeamExtractionassemblyLighterionsHeavyionsNeutrals第七十六頁(yè)，共103頁(yè)。離子注入機(jī)分析磁鐵第七十七頁(yè)，共103頁(yè)。IonsourceAnalyzingmagnetAccelerationcolumnIonbeamPlasmaProcesschamberExtractionassemblyScanningdisk第七十八頁(yè)，共103頁(yè)。SourceAtomicmassanalysismagnetLinearacceleratorFinalenergyanalysismagnetScandiskWaferLinearAcceleratorforHigh-EnergyImplanters第七十九頁(yè)，共103頁(yè)?！鲮o電加速器：調(diào)節(jié)離子能量■靜電透鏡：離子束聚焦■

靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：濾除中性粒子加速離子，獲得所需能量；高真空(<10-6Torr)加速和輸運(yùn)部分：第八十頁(yè)，共103頁(yè)。100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kVIonbeamIonbeamToprocesschamberElectrodeFromanalyzingmagnet加速管第八十一頁(yè)，共103頁(yè)。擋板-中性粒子子的收集第八十二頁(yè)，共103頁(yè)。

離子注入機(jī)產(chǎn)生的離子束是一條線狀的粒子，須有掃描裝置才能進(jìn)行整個(gè)晶片的摻雜。分為電子式和機(jī)械式電子式：離子束分別經(jīng)過(guò)水平放置及垂直放置的二組平行板，改變施加在電極板上的電壓大小，粒子束的運(yùn)動(dòng)方向被偏移。，對(duì)粒子束進(jìn)行上下及左右偏移，晶片靜置。適于中低束流機(jī)機(jī)械式：離子束方向不變，改變晶片的位置。適于強(qiáng)束流機(jī)靶室：離子束掃描和劑量控制系統(tǒng)兩種注入機(jī)掃描系統(tǒng)■離子束掃描第八十三頁(yè)，共103頁(yè)。DzyvlLdD=VlL/2vd偏轉(zhuǎn)電壓V第八十四頁(yè)，共103頁(yè)。

電子式偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)

在一個(gè)方向上低頻掃描（每秒幾次），另一個(gè)方向上高頻掃描（每秒可達(dá)幾千～幾萬(wàn)次）。經(jīng)過(guò)掃描后，注入到硅片上，摻雜量的不均勻性可小于1%，注入批次的重復(fù)性也小于1%。

+IonbeamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHighfrequencyX-axisdeflectionLowfrequencyY-axisdeflection第八十五頁(yè)，共103頁(yè)。第八十六頁(yè)，共103頁(yè)。第八十七頁(yè)，共103頁(yè)。

■劑量控制裝置

法拉第杯：捕獲進(jìn)入的電荷，測(cè)量離子流

注入劑量：當(dāng)一個(gè)離子的荷電態(tài)為m時(shí)，注入劑量為：第八十八頁(yè)，共103頁(yè)。帶正電荷的注入離子對(duì)晶片表面進(jìn)行注入后，晶片表面會(huì)帶正電使后續(xù)的帶正電荷的注入離子在注入晶片之前運(yùn)動(dòng)方向受到影響，產(chǎn)生離子束膨大現(xiàn)象，造成注入離子均勻度變差。太高的晶片表面電荷容易導(dǎo)致晶片上MOS管柵極氧化層的絕緣能力降低甚至擊穿。電子簇射器：由產(chǎn)生熱電子的熱燈絲及金屬靶組成。燈絲產(chǎn)生的熱電子轟擊金屬靶獲得二次電子，這些二次電子擴(kuò)散到晶片表面中和正電荷。第八十九頁(yè)，共103頁(yè)。半導(dǎo)體摻雜及分析用離子注入設(shè)備第九十頁(yè)，共103頁(yè)。國(guó)產(chǎn)中束流離子注入機(jī)第九十一頁(yè)，共103頁(yè)。20-80KeV400-500W/hVllSta810XEr

中束流注入機(jī)第九十二頁(yè)，共103頁(yè)。VllSta80HP300mm大束流注入機(jī)1-80KeVFOR90nmICprocess第九十三頁(yè)，共103頁(yè)。特點(diǎn)：①束流強(qiáng)度要大，摻雜密度高，時(shí)間長(zhǎng)②純度要求不太高，不需要質(zhì)量分析器③均勻性要求低，10%～20%④束斑直徑盡可能大，不需要掃描⑤離子種類更全⑥設(shè)備簡(jiǎn)單，注入