核技術(shù)應用離子注入

離子注入一、概述

高能束加工常用的高能密度束流加工方法主要是:激光加工、電子束加工、離子束加工等。

高能密度束流加工的共同特點：加工速度快，熱流輸入少，對工件熱影響小，工件變形小。束流能夠聚焦且有極高的能量密度，激光加工、電子束加工可使任何堅硬、難熔的材料在瞬間熔融汽化，而離子束加工是以極大能量撞擊零件表面，使材料變形、分離破壞。工具與工件不接觸，無工具變形及損耗問題。束流控制方便，易實現(xiàn)加工過程自動化。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述電子束加工1.電子束加工原理電子束加工（electronbeammachining，EBM）是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106～109w/cm2的極細束流高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。

1-發(fā)射陰極2-控制柵極3-加速陽極4-聚焦系統(tǒng)5-電子束斑點6-工件7-工作臺/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述2.電子束加工的特點

高功率密度屬非接觸式加工，工件不受機械力作用，很少產(chǎn)生宏觀應力變形，同時也不存在工具損耗問題。電子束強度、位置、聚焦可精確控制，電子束通過磁場和電場可在工件上以任何速度行進，便于自動化控制。環(huán)境污染少適合加工純度要求很高的半導體材料及易氧化的金屬材料。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述3.電子束加工的應用

1）電子束打孔不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃等各種材料上的小孔、深孔。最小加工直徑可達0.003mm，最大深徑比可達10。像機翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大（高達數(shù)百萬），且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔，塑料和人造革上打許多微孔，令其象真皮一樣具有透氣性。一些合成纖維為增加透氣性和彈性，其噴絲頭型孔往往制成異形孔截面，可利用脈沖電子束對圖形掃描制出。還可憑借偏轉(zhuǎn)磁場的變化使電子束在工件內(nèi)偏轉(zhuǎn)方向加工出彎曲的孔，/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述電子束加工曲面、彎孔/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述2）電子束切割可對各種材料進行切割，切口寬度僅有3～6μm。利用電子束再配合工件的相對運動，可加工所需要的曲面/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述3）光刻當使用低能量密度的電子束照射高分子材料時，將使材料分子鏈被切斷或重新組合，引起分子量的變化即產(chǎn)生潛象，再將其浸入溶劑中將潛象顯影出來。把這種方法與其它處理工藝結(jié)合使用，可實現(xiàn)在金屬掩膜或材料表面上刻槽。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述離子束加工1.離子束加工原理離子束加工（ionbeammachining，IBM）是在真空條件下利用離子源（離子槍）產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達到加工目的。因為離子帶正電荷且質(zhì)量是電子的千萬倍，且加速到較高速度時，具有比電子束大得多的撞擊動能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機械作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。

/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述2.離子束加工特點加工精度高。因離子束流密度和能量可得到精確控制。在較高真空度下進行加工，環(huán)境污染少。特別適合加工高純度的半導體材料及易氧化的金屬材料。加工應力小，變形極微小，加工表面質(zhì)量高，適合于各種材料和低剛度零件的加工。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述3.離子束加工的應用范圍離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉積和離子注入等。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述當所帶能量為0.1～5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子或分子間鍵合力時，材料表面的原子或分子被逐個濺射出來，以達到加工目的這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等高精度圖形。1）離子刻蝕/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述2）離子濺射沉積采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實際上此法為一種鍍膜工藝。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述3）離子鍍膜離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達10～20MPa），此法適應性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應用。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述4）離子注入用5～500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當大，可使離子鉆進被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學成分，從而改變工件表面層的機械物理性能。此法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設備費用大、成本高、生產(chǎn)率較低。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入一、概述離子注入機實物照片/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理

Particlesourceandtheirinteractionwithmatters

Particles:Photons;electrons;ions Opticalbeam,x-raybeam,electronbeam,ionbeaminengineering)

可見紫外近紫外(UV)遠紫外(FUV)真空紫外(VUV)深紫外(DUV)極紫外(EUV)X-RAY (380-780nm)(400-300nm)(300-200nm)(200-4nm)(200-100nm)(100-10nm)<10nm可見光：E0=1.6-6.3eV,紫外光：5-10eV,X光：10-1000eV）光子/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理

m為電子靜止質(zhì)量。當粒子速度遠小于光速時，上式簡化為：電子：電子束能量E0為102-105eV,其對應波長10-4-10-6微米/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理對于離子束來說,由于其靜止質(zhì)量大,即使其能量很低,其波動效應也很小.從理論上講,可獲得很高的圖形分辨率.質(zhì)子

在微/納加工技術(shù)中,這些粒子束或射線束在不同的條件下或不同的場合有不同的用途.

/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理2.SolidSurface研究電子,離子及光子與固體相互作用時,在表面所產(chǎn)生的物理和化學過程與體內(nèi)有很大的不同。

因為在固體表面附近的區(qū)域其原子的排列,物理狀態(tài)及化學成分可能與體內(nèi)有很大的不同。

在大氣條件下,幾乎所有的表面都會被某中吸附層所污染。

在10-5torr的真空下,一秒鐘可吸附單層原子(1015/cm2),因此,要研究原子級的清潔表面,保持10-10以上的超高真空。除此之外,表面的化學成份通常與體內(nèi)不同.如幾乎所有的金屬表面都有一層天然的氧化物.其厚度刻在1-10nm之間.如果不把這層氧化物通過刻蝕或化學拋光卻掉,則將會影響其表面的化學和物理性質(zhì).一般來說,表面玷污包括吸附的氣體,水,有機物和無機離子等.Possiblesolidmaterials:Dielectric:Polymer(Resist),SiN,SiO2….Semiconductor:Si,GaAs…Metal:Al,Cu,W,Ni,Cr,Au…/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理根據(jù)電子衍射和場離子顯微鏡的研究,晶體表面的結(jié)構(gòu)具有不同的情況(圖): 1)被不同的外來原子所覆蓋

2)吸附活性物質(zhì)形成三維表層化合物

3)表層位移,形成新的表面橫向周期

4)在合金的情況下,有時會在表面出現(xiàn)某種原分的偏析

即使沒有發(fā)生上述情況,晶體表面的電子結(jié)構(gòu)與體內(nèi)也有很大的差異.有些電子軌道在晶體內(nèi)部形成化學健而在表面沒有鍵合,這些軌道的方向從表面向外伸出,成為”懸掛鍵”,許多半導體都存在這種情況./電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理在既考慮折射又考慮吸收的系統(tǒng)中,通常用復數(shù)來表示介質(zhì)的折射率:設入射的光線為則在介質(zhì)中沿x方向傳播的光波可表示為:

光與物質(zhì)的相互作用/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理在連續(xù)介質(zhì)中，主要表現(xiàn)為光的吸收（Lambert-Bill定律）K為吸收系數(shù),通常包括吸收與散射兩部分.在實踐中我們也常用消光系數(shù)

來表示介質(zhì)的吸收.吸收系數(shù)與消光系數(shù)之間的關(guān)系為:光子的吸收可用Einstan

公式表示:

E=h

吸收的光子：健斷裂（降解，分解），化合，熱，電離，電流，電壓等/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理Electronsourceandinteraction

source1.熱電離發(fā)射

功函數(shù)

(eV):將導體導帶內(nèi)的一個電子移到自由空間所需要的能量(2-5eV).在金屬內(nèi)部,到達表面的電流密度為jx=n0vxe,n0:金屬內(nèi)單位體積電子數(shù):1022-1023/cmvx:電子運動速度,在fermi能級附近,vx=108cm/s得:jx=1012A/cm2.但很少有電子逃出表面

在熱發(fā)射情況下,熱發(fā)射電流遵從Richardson-Dushman方程A0為經(jīng)驗常數(shù).(Wu:75A/cm2,Ta:55A/cm2,LaB6:40A/cm2)metal

EminE(x)Ef/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理2.場發(fā)射:如果陽極電場沒有完全屏蔽,相當于在固體的表面加一電場E,則功函數(shù)將會減小:

0為零場功函數(shù).T為溫度,

為溫度系數(shù),E為外加電場.可得:

時,D=1-r(

).r()為反射系數(shù),若其平均值為r,帶入上式進行積分得:N(T,):供給函數(shù).N(T,)d是溫度為T時,速度分量垂直于表面,能量在到+d之間的電子每秒鐘到達單位面積表面的數(shù)量,D(E,

,

):透射函數(shù).在外加電場E的條件下,能量為的電子穿過功函數(shù)

勢壘的幾率.當當/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理3.電子光學Snell’slaw

aa’/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理Interaction1.電子對固體的作用 電子對固體的作用與微米/納米加工技術(shù)中的很多過程有著密切的關(guān)系.

當具有一定能量的電子束作用到固體薄膜樣品時,如果薄膜的厚度比電子在靶材料中的射程小得多時,有三種情況可能出現(xiàn):1)電子未經(jīng)散射穿透薄膜;2)電子束穿過薄膜時產(chǎn)生彈性散射;以及3)電子束遭受非彈性散射.

但電子進入固體以后,其在固體中行為和所走的路線主要取決于一系列的彈性和非彈性散射過程.彈性散射主要是原子核對電子的散射.對于彈性散射,入射電子基本上不損失動能,僅改變其運動方向.對于非彈性散射,入射電子用于激發(fā)固體原子,運動方向也有一定的變化.

電子在固體表面和進入體內(nèi)經(jīng)歷非彈性散射而引起的能量損耗的過程有多種多樣事件,包括:產(chǎn)生低能二次電子(最高可達50eV),激發(fā)金屬電子等離子體密度振蕩(plasmon),通過內(nèi)殼層電離產(chǎn)生X射線和俄歇電子發(fā)射,產(chǎn)生電子空穴對并導致隨后發(fā)生的光子發(fā)射(陰極發(fā)光),躍遷輻射及晶格振動(聲子激發(fā)phonon).

所考慮的電子能量:初級5–50KeV

分子的原子間化學鍵斷裂所需要的能量為80–100eV./電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理

2.彈性散射:彈性散射時電子受原子核正電荷(Ze)的吸引(庫倫力),軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的過程(1)散射幾率/散射截面若入射電子被木某散射中心散射的幾率為

,設n是單位體積中的散射中心,L是粒子的自由程,則有

nL=1,即

=1/nL,顯然

有面積量綱,因此

也叫散射截面.(2)微分散射截面/總散射截面多數(shù)情況下,我們關(guān)心在某出射角度

方向,單位立體角內(nèi)發(fā)現(xiàn)被散射粒子的幾率.(3).碰撞參數(shù)(impactparameter)/Rutherfold

Scatering碰撞參數(shù):入射電子的路徑與通過原子核的平行線之間的垂直距離b被稱為碰撞參數(shù).由于受到核正電核的吸引,電子走雙曲線軌道.在b+db環(huán)形面積入射的電子被散射到

至

+d

的角度.設單位面積入射電子數(shù)為N,則在b+db環(huán)形面積入射的電子數(shù)為N.2bdb;如果在至

+d

之間的散射截面為d,則被散射到的該方向的電子數(shù)為Nd,這兩數(shù)應相等,故負號表示b的增加將導致

的減小.通過該式,微分散射截面把初始均勻分布入射的碰撞參數(shù)同出射角分布聯(lián)系起來./電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理a)只考慮庫侖場:盧瑟福散射:b)如果考慮內(nèi)層電子對原子核的屏蔽作用,利用Wentzel模型和經(jīng)典量子力學的Born近似,則可得到:

是入射電子的波長,r0=aHZ-1/3.aH=0.529A,是波爾半徑.其中/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理3.非彈性散射(1)聲子激發(fā):入射電子把能量傳給分子振動或晶格振動

(2)等離子激元(palsmon)當入射電子在固體中經(jīng)過時排斥固體中導帶電子和價帶電子,引起后者集體振蕩.這些振蕩的能量是量子化的,稱為等離子激元.等離子激元得微分散射截面為:(3)軔致輻射Bethe-Heitler

公式:/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理

其中E為入射電子的能量,是一個數(shù)量為一左右的修正系數(shù).S0為躍遷幾率,是原子光譜研究中最為重要的量,可通過計算或?qū)嶒灚@得.電離：原子內(nèi)殼層電離截面的計算方法有多種多樣.其中著名的為Bethe公式:(4)電子激發(fā)/電離激發(fā)(從基態(tài)到激發(fā)態(tài)(0

)

Enl是束縛能,Znl是量子數(shù)為nl殼層上的電子數(shù),bnl,cnl是反映不同殼層之間的區(qū)別的參數(shù),如:bK=0.35,bL=0.25,cK=cL=2.42.在上述非彈性過程中,原子的電離是最為重要的/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理4.其他效應(1)

背散射電子;產(chǎn)生原因:(a)初級電子彈性反射(b)衍射電子(c)俄歇電子

(2)二次電子(3)X射線輻射(4)高分子聚合/斷裂(5)熱效應(6)電流注入5.能量損失機理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理E0=5-50KeV,電子在固體中能連損失機理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理離子源及其與物質(zhì)的作用1離子源離子在微細加工中主要有下列作用：a．離子束光刻。b.離子銑。c.離子注入。d.離子束顯微操作、微觀分析。e.等離子體刻蝕。F.掩膜修理。g.離子束輔助淀積。

離子束的特征：a.

離子束可在電場的作用下被加速，獲得高能量，也可以被輕易減速。因而可以任何能量與靶材料發(fā)生作用。b.

離子束可在電場、磁場的作用下進行快速、高精度的控制。因而可以獲得平行性好，來直徑很細的束流。c.

離子不僅具有能量和質(zhì)量，而且具有元素性質(zhì)，它與物質(zhì)相互作用時可產(chǎn)生許多新的效應。

離子源的主要指標：a.

離子的種類b.離子流強度c.亮度d.能量的分散性d.

電離效率.f.離子源壽命g.能量轉(zhuǎn)換效率/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理4各種離子源離子源主要可以分為三大類：電子激發(fā)、氣體場電離、液態(tài)金屬

a.電子激發(fā)離子源電子束：熱電離或冷陰極發(fā)射，也可通過氣體放電本身產(chǎn)生。

離子產(chǎn)額：

je:電子束流;P:氣壓;l:路徑;s:差分離化系數(shù);(每個電子在單位氣壓下，經(jīng)過單位路徑是產(chǎn)生電離碰撞的次數(shù)）當電子動能大于氣體分子的離化能，可產(chǎn)生電離/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理b.等離子體發(fā)生器（亞弧放電）c.

氣體場電離離子源 隨著圍繞原子或分子的電場的提高，原子或分子會被極化，并最終導致價電子離開原子式分子，這一過程類似于場發(fā)射，但由于電離能比功函數(shù)要高的多，因而所需要的電場強度也大許多，一般在108V/cm或1V/?左右。這樣的場一般可簡單地通過在半徑只有1000?左右尖端形成。亮度(可達108A/cm2

sr)工作氣體：H、He、Ar、Xe/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理c.液態(tài)金屬離子源由金屬存貯器和加熱器，針尖發(fā)射體以及抽取電極三部分組成，發(fā)射體針尖上的液體金屬同時受到靜電場力的作用和表面張力兩種方向相反的力的作用。隨著抽取電壓加大，靜電場力加大。當電壓大于某一值(4－6kV),電場強度可達108V/cm，即可發(fā)射離子。液態(tài)金屬要求低融點，不活波，與發(fā)射針尖侵潤性好。一般用Ga作為液態(tài)金屬離子源。除此之外，僅有銦(In)，錫(Sn)、金(Au)等少數(shù)金屬。但對工藝來說，要求有多種多樣的離子源。因此提出了很多共晶合金金屬離子源方案，有的已經(jīng)取得的成功：如Au-Si，Pt-B-Au-Ge，Au-Si-Be，PdAsB，Pd2As等。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理interaction1.主要物理過程：離子和物質(zhì)的作用包括彈性和非彈性碰撞。主要物理過程有：①離子原子散射(背散射)②表面原子移位③內(nèi)部原子移位④物理濺射⑤離子注入⑥化學濺射(形成新的化合物)⑦電荷轉(zhuǎn)移⑧離子吸附⑨次電子發(fā)射(金屬）⑩表面次級離子發(fā)射⑾化學鍵斷裂⑿加熱效應⒀光子發(fā)射。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理

2.離子在固體中能量損失機理

a.

非彈性能量損失－離子和靶發(fā)生作用，把能量傳遞給后者，使其激發(fā)或電離－電子阻止。

b.

彈性能量損失－離子和靶發(fā)生作用；使靶原子反沖，自已能量減少－核阻止。

c.

電荷交換損失－俘獲或失去電子，離子的電子被激發(fā)或電離，從而失去電子；俘獲的電子可能處在激發(fā)態(tài)，將伴隨輻射損失。俘獲時離子需要作功。/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入三、應用

注N+

使帶隙中深的輻射中心復合的效率大幅度提高,極大的增強了其發(fā)光強度；從紅外光譜可以清楚地看到碳氮單鍵、雙鍵、三鍵等新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,由于碳氮單鍵構(gòu)成的化合物C3N4

有其超強的物理和化學特性,其合成具有極其重要的現(xiàn)實意義./電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入三、應用高溫注氦及隨后230MeV的208Pb27+輻照Al2O3的光致發(fā)光譜/電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇離子注入二、基本原理PLspectraofpristineandHeionimplantedsapphire

PLspectraofpristineandArionimplantedsapphire

PLspectraofpristineandNeionimplantedsapphire

T=600K

E=110K