粒子同固體相互作用物理學-第1章2016

1、粒子同固體相互作用物理學粒子同固體相互作用物理學 第一章 緒論 1.1 引言引言l100年前的一個著名物理實驗：l大家都學過物理，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，從而證實了原子核的存在，并由此建立了原子的有核結構模型，為微觀世界的研究揭開了序幕。l可以這么說，帶電粒子同物質相互作用的研究，揭開了原子世界的奧秘，為近代物理學奠定了基礎。 人們對微觀世界層次（也就是原子核內部和基本離子）的認識也是以此為開端。近代物理學上的許多重大成就，包括上面提到的盧瑟福背散射實驗，都是從研究帶電粒子的行為獲得的。所以說帶電粒子同物質相互作用的研究對近現(xiàn)代科學的發(fā)展功勛卓著。l時至今日

2、，前一類加速器越造越大，粒子速度也就是能量越來越高。l中科院高能所的電子對撞機：幾百米；l歐洲：歐洲大型強子對撞機是世界最大的粒子加速器，建于瑞士和法國交界地區(qū)地下米深處、總長大約公里的環(huán)形隧道內，開足馬力的對撞機能夠確保數(shù)萬億粒子高速流過將近公里長的地下隧道，最高速度接近每秒萬公里，相當于光速的。這時質子束每秒可在隧道內狂飆圈，單束能量達到萬億電子伏特，主要用于研究宇宙起源和各種基本粒子特性。）為什么要用粒子束流技術？為什么要用粒子束流技術？中國的四大科學裝置中國的四大科學裝置l高能所粒子對撞機l上海同步輻射光源l合肥同步輻射光源l蘭州重離子加速器l所以繼盧瑟福之后，高能物理學家們能采用更高

3、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探索有關基本粒子結構的信息。這反映了問題的一個方面，即基礎研究越來越深入到微觀世界更細微的層次。這到今天還遠沒有停止。l在向物質世界更微觀層次進軍的同時，在另一方面，昔日的基礎研究不斷向應用研究轉化，促進一系列小型化、低能量、但有更大束流強度、更好的工業(yè)實用性的粒子加速器的出現(xiàn)和發(fā)展。北京師范大學核科學與技術學院的離子束加工設備北京師范大學核科學與技術學院的離子束加工設備l原子核物理學家和其他領域的科學家們結合起來，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、以及化學、生物學和醫(yī)學、甚至藝術和考古學等

4、方面滲透和發(fā)展，目前可以說絕大多數(shù)的低能加速器的研究重點已從核物理本身轉移到與這些學科的交叉融合中。在這個過程中，不僅大大地促進了這些學科的發(fā)展和進化，形成了一些生命力很強的交叉學科，而且把這些由實驗核物理發(fā)展起來的現(xiàn)代科學技術直接為人類生產和生活服務，進一步推動現(xiàn)代科技的發(fā)展和跟新?lián)Q代。l例如：原始的盧瑟福背散射技術已成為表征固體材料的一種標準方法，可以用來測定固體物質的成分，可以用來測定雜質原子在各種材料、尤其是半導體中的分布；同時還有其它一系列的建立在帶電粒子與固體相互作用基礎上的高靈敏和高效率的微探針等離子束分析方法，已廣泛應用于各個科學技術領域。l而應用高壓倍加器及其它低能加速器發(fā)展

5、起來的離子注入技術更是在最近的半個世紀以來，推動了人類歷史上最顯著的的一次技術革命。指的就是半個世紀以來高速發(fā)展的半導體和集成電路技術乃至計算機革命。當然不是說離子注入技術是這些技術革命的唯一推動力，但離開了被稱作三束技術的離子束、電子束和光子束，根本不可想象半導體生產還能進入到今天的超大規(guī)模集成電路新時代，更別提現(xiàn)在日新月異的計算機和手機。l除了在半導體技術上的成就，離子束技術的另一樣顯著成就是在固體材料表面改性方面的大量應用。l而研究以上這些低能離子束應用的學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科帶電粒子與固體的相互作用。l所以，帶電粒子同固體相互作用物理學就是一門原子核

6、物理和固態(tài)物理相互滲透的邊沿學科，也是理論和實驗密切結合的較新學科。它的發(fā)展和應用不僅為研究固態(tài)物質結構和特點提供了強有力的工具，而且為工業(yè)、農業(yè)、國防、現(xiàn)代科學技術以及人們生活提供更多更好的新型材料和高科技產品。l附：百度詞條：低能加速器的應用l 低能加速器的應用是核技術應用領域的重要分支，當前，在世界各地運行著的數(shù)千臺加速器中大多數(shù)是在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領域內得到廣泛應用的低能加速器。低能加速器在這些領域的應用，極大地改變了這些領域的面貌，創(chuàng)造了巨大的經濟效益和社會效益。加速器在工業(yè)中的應用加速器在工業(yè)中的應用1）輻照加工l應用加速器產生的電子束或X射線進行輻照加工已成為化工、電力、食

7、品、環(huán)保等行業(yè)生產的重要手段和工藝，是一種新的加工技術工藝。它廣泛應用于聚合物交聯(lián)改性、涂層固化、聚乙烯發(fā)泡、熱收縮材料、半導體改性、木材-塑料復合材料制備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。l經輻照生產的產品具有許多優(yōu)良的特點，例如：聚乙烯電纜經105Gy劑量輻照后，其電學性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為6070，輻照后長期使用溫度可達120以上。當前，中國已有用加速器進行輻照加工的生產線40多條。2）無損檢測l無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、制品或構件的情況下，就能檢測出它們內部的情況，判別內部有無缺陷?，F(xiàn)代無損檢測的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷

8、法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內部的缺陷。設備可以采用放射性同位素Co60產生的射線、X光機產生的低能X射線和電子加速器產生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗證手段及在質量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗中得到廣泛的應用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機型。l射線檢測的方法根據對透過工件的射線接受和處理方法的不同，又可把射線檢測法分為三種：la、射線照相法l這種方法與我們體檢時拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件

9、背后，用X射線對工件照射后，透過工件的射線使膠片感光，同時工件內部的真實情況就反映到膠片的乳膠上，對感光后的膠片進行處理后，就可以清楚地了解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。lb、輻射成像法l這種方法的射線接受器是陣列探測器或熒光增感屏。前者就是清華大學和清華同方共同研制生產的大型集裝箱檢查系列產品。后者就是用于機場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統(tǒng)，也可用于工業(yè)的無損檢測。這種方法配以圖像處理系統(tǒng)可以在線實時顯示物品內部的真實情況。lc、工業(yè)CTl與醫(yī)用CT原理類似，CT技術即計算機輔助層析成像技術。選用加速器作為X射線源的CT技術是一種先進的無損檢測手段，主要針對大型固體火箭發(fā)

10、動機和精密工件的檢測而發(fā)展起來。它的密度分辨率可達0.1%，比常規(guī)射線技術高一個數(shù)量級。在航天、航空、兵器、汽車制造等領域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結構分析等方面有重要的應用價值。3）離子注入l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、化學及電學性能。半導體器件、金屬材料改性和大規(guī)模集成電路生產都應用了離子注入技術。中國現(xiàn)擁有各類離子注入機100多臺。其中中國自己累計生產出140多臺離子注入機，能量為150KeV600KeV（1KeV=1103eV），流強為0.5mA到十幾mA。加速器在農業(yè)中的應用加速器在農業(yè)中的應用l作為核技術應用裝備的加速器在農業(yè)上的應用

11、，在一些國家普遍使用已有明顯經濟效益的主要有三方面：l1）輻照育種l加速器在輻照育種中的應用，主要是利用它產生的高能電子、X射線、快中子或質子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等，改變農作物的遺傳特性，使它們沿優(yōu)化方向發(fā)展。通過輻射誘變選育良種，在提高產量、改進品質、縮短生長期、增強抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經過輻照育種后可具有高產、早熟、矮桿及抗病蟲害等優(yōu)點。l2）輻照保鮮l輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學加工等傳統(tǒng)的保鮮方法之后，發(fā)展起來的一種新保鮮技術。例如，對馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經過輻照處理，可抑制其發(fā)芽，延長貯存期；對干鮮水果、蘑菇、香腸等經過

12、輻照處理，可延長供應期和貨架期。l3）輻照殺蟲、滅菌l當前，在農產品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學熏蒸法，由于使用溴甲烷、環(huán)氧乙烷等化學熏蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因，根據蒙特利爾公約，到2005年要在全球范圍內禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進行農產品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發(fā)展。利用加速器產生的高能電子或X射線可以殺死農產品、食品中的寄生蟲和致病菌，這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失，而且可提高食品的衛(wèi)生檔次和附加值。l加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應用加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應用l隨著科學技術的進步，人民生活和質量的提高，人們對醫(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)生中的應用

13、促進了醫(yī)學的發(fā)展和人類壽命的延長。當前，加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應用主要有三個方面，即放射治療、醫(yī)用同位素生產以及醫(yī)療器械、醫(yī)療用品和藥品的消毒。l1） 放射治療l用于惡性腫瘤放射治療（簡稱放療）的醫(yī)用加速器是當今世界范圍內，在加速器的各種應用領域中數(shù)量最大、技術最為成熟的一種。l用于放療的加速器由50年代的感應加速器，到60年代發(fā)展了醫(yī)用電子回旋加速器，進入70年代醫(yī)用電子直線加速器逐步占據了主導地位。當前，世界上約有3000多臺醫(yī)用電子直線加速器裝備在世界各地的醫(yī)院里。l除了應用加速器產生的電子線、X射線進行放療外，還可應用加速器進行質子放療、中子放療、重離子放療和介子放療等，這些治癌方法還

14、處在實驗階段，實驗的結果表明，療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多，結構復雜得多，價格昂貴得多，尚未普及。l利用電子直線加速器開展立體定向放療，俗稱X刀，是數(shù)年來發(fā)展的新的放療技術。這種技術與常規(guī)放療相比，可多保護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胞，從而增加放療療效。l60年代中國醫(yī)院裝備了醫(yī)用感應加速器，70年代中期醫(yī)用電子直線加速器開始裝備中國各地醫(yī)院。截止到2000年初，中國已擁有各種能量的醫(yī)用加速器約530臺，其中國產醫(yī)用加速器約230臺，進口醫(yī)用加速器約300臺。l2）醫(yī)用同位素生產l現(xiàn)代核醫(yī)學廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤

15、，如今已確定為臨床應用的約80種同位素，其中有2/3是由加速器生產的，尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產。這些短壽命同位素主要應用在以下方面：la、正電子與單光子發(fā)射計算機斷層掃描PET與SPECTlPET是由病人先吸入或預先注射半衰期極短的發(fā)射正電子的放射性核素，通過環(huán)形安置的探測器從各個角度檢測這些放射性核素發(fā)射正電子及湮滅時發(fā)射的光子，由計算機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小時左右。所以，這種加速器一般裝備在使用PET的醫(yī)院里。生產PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了眾

16、多的加速器生產廠開發(fā)研制。當前，國外幾個加速器生產廠家生產的小回旋加速器已達到幾十臺。lb、圖像獲取l利用放射性核素進行閃爍掃描或利用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，獲取動態(tài)資料。例如201Tl用于心肌檢查，對早期發(fā)現(xiàn)冠心病和心肌梗塞的定位等是當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的。l3）輻照消毒l利用加速器對醫(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)生方面應用的一個有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲、滅菌道理一樣，可取代當前應用的高溫消毒、化學消毒等方法。但滅菌需要的射線劑

17、量要大于殺蟲所需的劑量。1.2 粒子與固體相互作用物理學討論范圍粒子與固體相互作用物理學討論范圍l粒子（微觀粒子） 帶電粒子：電子、質子、質量不等的各種離子、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是討論一束質量為M1,電荷為Z1e的帶電粒子（有時也叫投射體，通俗點的叫法還稱為子彈）以速度v打到一片含有原子序數(shù)為Z2和質量為M2的固態(tài)物質（有時也叫基體，或靶）上，所發(fā)生的相互作用現(xiàn)象和物理過程。研究對象：1、帶電的入射粒子，不包括中性粒子2、固態(tài)靶物質可以是由單元素原子構成，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)

18、象和物理過程：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、溝道效應、增強擴散效應等，但不包括入射粒子同靶原子核之間發(fā)生核反應這類現(xiàn)象和過程。1.3 什么是離子束技術？什么是離子束技術？本節(jié)目的：明確一下，什么是離子束技術？離子束技術都包括些什么內容？ l離子束利用特定的設備產生，并經過引出、加速過程而形成的具有一定能量（一般是幾百eVMeV范圍）的載能帶電粒子流。l離子束技術包括離子束的產生技術及應用技術。l離子束的產生技術包括離子源及注入機技術。應用技術包括：應用技術包括：l離子注入技術（Ion implantation）l離子束沉積（IBDIon Be

19、am Depositon）l離子束輔助沉積（IBADIon Beam Assisted Depositon）l離子束濺射（IBSIon Beam Sputtering）l離子束混合（IBMIon Beam Mixing）l離子束分析（IBAIon Beam Analysis）離子注入技術（離子注入技術（Ion implantation）l離子注入指的是能量在keVMeV范圍內的離子束經過與固態(tài)基體原子的碰撞而逐漸損失能量，最終導入并停留在基體表面層內的過程。 l離子注入示意圖 在所有離子束技術中，離子注入，是被研究得最多、理論體系最豐富、應用也最廣的一部分，也是我們這門課的主要部分。自二十世紀

20、六十年代以來，它被廣泛地用于超大規(guī)模集成電路的研究與生產，化合物半導體的研究，金屬材料表面改性的研究，以及光學材料、超導材料和磁性材料的研究中，在國防、國民經濟和科學研究中都起到了重要作用。l關鍵詞： 反沖 移位 級聯(lián)碰撞 射程離子束沉積(IBD)：l離子源產生大量的碳離子，并通過電磁場加速使碳離子直接沉積于基體表面形成DLC膜l離子能量多在幾百eVl離子束沉積指的是能量較低的離子在到達靶材料表面時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。我們可以根據需要控制離子束的劑量以獲得需要的膜厚。l如果是兩個不同的離子源化合物膜離子束輔助沉積離子束輔助沉積(IBAD)l離子束輔助沉積也

21、叫離子束增強沉積。l利用電子束或激光束或常規(guī)真空蒸發(fā)起來的原子或原子團沉積到基體表面形成膜。在成膜的同時,用離子束對正在生長的膜層進行轟擊(即：蒸發(fā)+離子束轟擊)。 改善微觀結構，使沉積的膜致密化(這就像把剛鋪的路面夯實一樣)。l同時，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渡到合金層或化合層，從而增強膜和基體之間的附著力。離子能量：幾十1500ev離子束濺射薄膜沉積（離子束濺射薄膜沉積（IBSD）l離子束濺射則是利用離子束轟擊過程中在靶材表面產生濺射效應去達到某些特定目的的技術。lIBSD是利用離子束濺射的最有代表性的技術lIBAD和IBSD的結合 何謂離子

22、束混合何謂離子束混合（IBMIon Beam Mixing） l離子束混合是指離子束引起界面反應和原子混合的現(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，原子移位可能導致原子在固體中的輸運。現(xiàn)有研究表明，這個輸運可以通過反沖注入，級聯(lián)碰撞以及輻射增強擴散等過程，使固體中的原子從原始位置傳輸?shù)揭欢ǖ木嚯x，導致原子混合。l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。l對離子束的要求：離子能量盡量高（200300keV以上）較重的惰性氣體離子，如Arl

23、特點：獲得常規(guī)冶金方法得不到新材料。 比離子注入法更經濟離子束分析離子束分析（IBAIon Beam Analysis）l顧名思義，就是利用離子束作為手段和工具，達到分析固體材料組分結構等信息的目的。1.4離子束技術的發(fā)展歷史離子束技術的發(fā)展歷史l離子束技術最早主要是應用于半導體領域，可以說是應半導體技術的需要而發(fā)展起來的一門新技術。l1952年，也就是晶體管發(fā)明后第四年，美國貝爾實驗室已經開始研究用離子束轟擊技術來改善半導體特性。在半導體表面用H+離子轟擊形成p-n結，做成了具有短波長響應的太陽能電池。l1954年，Shockley提出采用離子注入技術能夠制造半導體器件，并且預見到采用這種方

24、法可以制造基區(qū)很薄的高頻晶體管。l但是，當時人們對于p-n結形成的機理卻不清楚，所以這一新技術沒有得到人們的足夠重視。l隨著原子能技術和宇宙探索技術的發(fā)展，以及對于離子束及其對固體物質轟擊效應的研究，離子轟擊對半導體材料的損傷以及通過退火消除損傷等基本工藝的研究和產生，同時隨著強離子束設備的出現(xiàn)等，為離子束技術的發(fā)展奠定了基礎。l與此同時，也就是在50年代末，60年代初，由于宇宙航行、軍事電子對抗和各種功能的電子計算機的發(fā)展，對半導體器件和電路的生產提出了更高的性能要求（體積要更小，電路集成度要更高，更利于攜帶和運輸，速度要求更快，性能要求更可靠等）。這樣一來，原有的生產工藝已經不能滿足這些要

25、求，限制了半導體性能的進一步提高。離子注入技術，則正是為適應這種需要而發(fā)展起來的一種半導體摻雜新工藝。我們來看看我們來看看原有的擴散摻雜工藝原有的擴散摻雜工藝： 二極管： 1200高溫擴散，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l如果集成度變高，管子變小，這種不確定性的影響將更大。三極管芯結構剖面圖三極管芯結構剖面圖離子注入的特點離子注入的特點l可以獨立控制雜質分布（離子能量） 和雜質濃度（離子流密度和注入時間）l各向異性摻雜l容易獲得高濃度摻雜 （特別是：重雜質原子，如P和As等）。 離子注入a)低摻雜濃度 (n, p) 和淺結深 (xj)掩蔽層掩蔽層硅

26、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b)高摻雜濃度 (n+, p+) 和深結 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離子注入機控制雜質濃度和深度控制雜質濃度和深度離子注入與擴散的比較離子注入與擴散的比較l無論是摻雜的濃度，還是深度，還是側向的擴散問題，它們的可控性都要極大地好于擴散工藝。擴散離子注入高溫，硬掩膜9001200 低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400各向同性各向異性不能獨立控制結深和濃度可以獨立控制結深和濃度發(fā)展歷史發(fā)展歷史l于是，在六十年代，離子注入技術又再度興起。l這時，Lindhard，Scharff和Schiott發(fā)表了“射程概念和重離子射程

27、射程概念和重離子射程”的重要論文，提出了無定形靶離子注入射程分布的理論了無定形靶離子注入射程分布的理論，這就是著名的LSS理論理論，這時迄今為止離子注入領域最為基本，也是最為重要的理論之一。這個理論也是我們這個課程學習中極為重要的一部分內容。隨后，Davies用實驗證實了這一理論在實際應用方面的指導意義。l1961年，第一個實用的離子注入器件離子注入硅離子探測器問世，其性能絲毫不遜色于常規(guī)工藝制造的同類器件。在當時，這一事實雄辯地說明，離子注入技術具有深遠的工業(yè)生產意義。l1963年，Macaldin在硅片中注入了高濃度的銫離子，形成了p-n結，說明熱擴散不易摻進的雜質，也能用離子注入技術摻進

28、半導體材料中，進一步證實了離子注入技術的優(yōu)越性。l從此，用離子注入技術陸續(xù)制成了許多不同類型的半導體器件，作為注入設備的加速器技術也不斷發(fā)展，與此同時，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展。 發(fā)展歷史發(fā)展歷史l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，這也是一個重要的基本理論。l1972年以后，離子注入在MOS集成電路中成功地被用來調整閥值電壓，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

29、電路的速度。l再往后，離子注入技術被更加普遍地應用于半導體和微電子工業(yè)的生產和研究上，研究范圍越來越廣泛、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。l1977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，離子注入集成光路的研究也取得了重要進展，促進了光電技術的發(fā)展。發(fā)展歷史發(fā)展歷史l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 （ 一個芯片上的管子數(shù)的變化， 摩爾定律） 1K 500M （3個月芯片管子數(shù)翻一番）l從早期的286計算機到今天咱們能享用高性能的筆記本電腦，離開離子注入技術這一切都是不可想象的?，F(xiàn)在，太空里飛

30、的飛船、衛(wèi)星，到日常所用的電視機，洗衣機，手機，相機，眼鏡等，哪里都能找到離子束技術的影子。發(fā)展歷史發(fā)展歷史l前面主要說的是基本理論和在半導體器件和微電子中作為微細加工技術的發(fā)展歷史。離子束技術的另一個重要應用領域離子束材料改性，則起源于60年代末70年代初，到70年代中后期，英國哈威爾原子能研究中心研制出強束流氮離子注入機，使得離子束材料改性開始走向一定規(guī)模的工業(yè)生產階段。l80年代初，離子束混合技術的出現(xiàn)，對離子束冶金學的發(fā)展做出了貢獻，制備出了大量的亞穩(wěn)態(tài)合金相。l80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世，為離子束材料改性和相關的基礎研究提供了更先進的工

31、具，并且在工業(yè)上也取得了重要進展。（低能所的一些工作）發(fā)展歷史發(fā)展歷史l與此同時，為克服注入層淺的問題，人們又開始廣泛研究離子束輔助沉積技術。這項技術被廣泛用于電子材料領域和人工關節(jié)改性等醫(yī)學領域。l離子束技術還用在其他許多領域，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。l總之，離子束技術發(fā)展時間雖不長，但取得了豐碩的成果，在國民經濟和國防上都起著非常重要的作用。l同時，縱觀這一學科領域的發(fā)展歷史，也印證了前面提過的一句話，就是這一學科從一開始就是理論和實驗結合并且應用性很強的學科。1.5離子束技術的主要應用簡介離子束技術的主要應用簡介一、微電子工業(yè)一、微電子工業(yè) 半

32、導體器件與集成電路 1.表面精細摻雜工藝大規(guī)模集成電路微細加工的支柱技術之一。精細調節(jié)注入離子的能量和劑量可精確控制摻雜溫度和摻雜量。l實現(xiàn)精細摻雜的兩個突破： 摻雜結深和線寬均小于1m，稱為亞微米摻雜。半導體器件最細線：1m 0.3-0.5m 0.25m 0.18m 0.1m 納米級 90年代初 90年代末 摻雜的濃度低到51015/cm311016/cm3的數(shù)量，l剛剛補償?shù)艄璞菊鬏d流子濃度，這在MOS電路中調整閥值是非常成功，非常重要的。u集成電路功耗大幅度下降，集成規(guī)模迅速增大。u這是微電子生產線上的常規(guī)工藝，也是不可或缺的重要工藝。2.制備電路中的級間的互連、引線及歐姆接觸材料。 離

33、子束濺射沉積+退火 金屬離子束直接注入+退火3.SOI材料 二十一世紀，超大規(guī)模集成電路的替代材料，單晶硅下SiO2埋層。 注入O+ 氧化注入H智能剝離4.離子束光刻5.聚焦離子束超精細加工，局部加工、修復（小手術刀）二、離子束材料表面改性二、離子束材料表面改性離子束冶金學離子束冶金學 1.抗磨損（提高硬度降低摩擦）：鋼鐵（各種金屬及合金）機械零件、工具、模具、軸承、汽車、飛機、衛(wèi)星、機床等。l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，無法或不易合成，不穩(wěn)定易分解。l離子束冶金沒有這個局限，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)學上：醫(yī)用人工關節(jié)表面注入或鍍膜，假

34、牙（鈦合金為主）2.抗腐蝕：鋼鐵、合金海軍飛機零件、機械零件、人工關節(jié)、榨果汁（飲料業(yè)）3.抗氧化：各種軸承，機械零件、飛機發(fā)動機噴口4.抗沖擊：模具（沖壓成型）5.耐熱：飛機和汽車發(fā)動機排氣管。6.增加韌性：陶瓷7.光學材料：改變折射率、改變光運行路線、光集成電路8.超導：改變成分配比三、離子束分析l盧瑟福背散射（RBSRutherford Back Sputtering）分析材料中組分的濃度深度分布。l彈性反沖粒子探測技術（ERDElastic Recoil Detection）同上l溝道譜分析晶體晶格損傷l二次離子質譜（SIMSSecondary Ion Mass Spectrometr

35、y） 雜質深度剖面分析l質子熒光分析（PIXE）表面雜質含量四、離子束生物工程：花卉、農作物（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1.6 離子注入機簡介離子注入機簡介 l離子注入機的基本組成部分有：離子源、聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、分析磁鐵、掃描裝置和靶室。 用于離化雜質、產生離子的裝置用于離化雜質、產生離子的裝置。不同的離子具有不同的質量與電荷，因而在質量不同的離子具有不同的質量與電荷，因而在質量分析器磁場中偏轉的角度不同，由此可分離出所需的雜

36、質離子，且離子束分析器磁場中偏轉的角度不同，由此可分離出所需的雜質離子，且離子束很純。很純。 為高壓靜電場，用來對離子束加速。為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。將離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。將離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。使離子束沿使離子束沿 x、y 方向掃描。方向掃描。放置樣品的地方，其位置可調。放置樣品的地方，其位置可調。離子注入機結構示意框圖離子注入機結構示意框圖離子源分析系統(tǒng)加速系統(tǒng)聚焦掃描靶室電源真空冷卻控制測量一、離子源

37、簡介一、離子源簡介l一切原子是呈電中性的。l當原子核外層電子被剝掉一個或幾個后，原子即變成帶有一個或幾個正電荷的離子。l當代物理學家或工業(yè)應用領域興趣之所在，并不是單個的離子，而是由很多離子形成的離子束。l自從人們認識原子核結構后，就有了“人工制造”離子束(有時稱離子束為束流)的想法，這種產生離子束的裝置叫離子源。l離子源就像一個噴泉，通過某種機制，源源不斷地噴射出具有一定能量和品質的帶電粒子束。l離子源首先通過某種機制，在一個真空容器(稱為電離室)內使電子從原子中剝離出來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電荷的電子，但總體上說，正電荷的總量和

38、負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。使原子電離的機制有很多，最常見常用的機制如右圖所示。l一般在電離室外圍，都附加有磁場，磁場具有一定的分布形式，通過磁場約束等離子體迫使等離子體中的電子按一定規(guī)律運動，以使電子具有較長時間的壽命，有機會與更多的原子或離于碰撞、電離，產生更多的離子或產生更高電荷態(tài)的離子。l如果在電離室上施加一正高壓，在與之隔離的另一端通過一電極接地或加一負電壓，在電離室和電極之間便形成了電場，即電離室和電離室內的等離子體處于高電位，電極處于低電位，在這樣的電場作用下，等離子體中帶正電荷的離子就會從高電位“跑向”低電位，通過孔或狹縫源

39、源不斷地噴射出來，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。l引出離子束束流強度的大小與等離子體中電子和離子的密度及溫度(即熱運動的能量）、電離室外施加的磁場分布、放電機制、電離室內的工作氣壓、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。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。l可以說，一臺離子源的性能根本上是由電離室內等離子體的性能決定。l等離子體的性能與下列因素密切相關：產生等離子體的放電機制；其中的原子物理過程；周圍的磁場和電勢分布；放電室表面狀況及伴隨所發(fā)生的相關效應；放電室內工作氣壓；為加工離子源所涉及到的尖端技術

40、和工藝。l離子源是離子注入機最主要的部件之一。它決定了離子注入機所能提供的注入元素，也決定了這種離子注入機的用途。l早在19世紀末，就出現(xiàn)了利用氣體放電的原理產生離子的離子源，然而，直到20世紀30年代，才開始發(fā)展真正高性能的離子源。l到了50年代，在核物理研究和加速器發(fā)展的推動下，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，但主要是以產生單電荷態(tài)離子為主（即只能剝掉原子核外層一個電子）。l60年代后，多電荷態(tài)(原子核外層多個電子被剝掉)離子源成為離子源發(fā)展的新寵，開始主要是為滿足重離子物理研究的需要。對多電荷態(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(electron

41、cyclotron resonance)離子源（簡稱ECR源），和80年代誕生的金屬蒸氣真空弧離子源（簡稱MEVVA源）。幾種常見離子源簡介幾種常見離子源簡介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氣化的原子通入放電室，使放電室內保持一定氣壓，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，在起弧電場的作用下獲得足夠的能量，與放電室內氣體原子碰撞，結果引起原子激發(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105106A/m的非均勻磁場，這對等離子體有壓縮作用。因此錐形體口處電

42、離密度將比等離子體泡處大得多，這時在引出極加上負電壓就可引出等離子束。l2、高頻放電離子源 其結構圖如圖所示，將所需引出的氣體原子或金屬蒸汽通入石英放電室，室內氣壓為1.0Pa，在放電室外有一高頻線圈，使放電室內保持10100MHz的高頻磁場，從而導致放電室氣體電離，放電室頂端是陽極，陽極上加3KV的正電壓，在放電室下部有一小孔（1mm）為引出電極。當放電室放電形成等離子體后，在陽極上加正電壓，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。幾種常見離子源簡介幾種常見離子源簡介3、潘寧離子源 其結構如圖所示，放電室由陽極A、陰極C1和對陰極C2組成。陰極和對陰極處在同電位。陽極為一圓

43、筒，從陰極C1上發(fā)射的電子，在電場區(qū)受到加速，由于陽極筒外有軸向強磁場存在，使電子能螺旋運動到對陰極C2上去，而當電子接近C2時，它又受到C2電壓的反向加速而被反射回來，重新向C1運動。這樣，電子在陰極和對陰極之間來回做螺旋運動，從而增加了電子與放電室內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陰極孔中引出而成為離子束。幾種常見離子源簡介幾種常見離子源簡介4、弗里曼離子源 其結構如圖所示，氣體或蒸汽進入到石墨放電室內，放電室中心有一鎢絲（1mm）做陰極，與陰 極 平 行 開 著 一 長 孔 縫（140mm）作為引出極，放電室外部有一磁場起著輔助電離作用，當鎢絲加熱時，大量

44、的電子從鎢絲上奔向石墨陽極，從而將放電室內氣體電離，在引出孔外，有一加負電位的引出極，它將正離子從放電室中引出而形成離子束。 幾種常見離子源幾種常見離子源5、微波離子源 微波離子源的原理是靠微波加速放電室內的電子，使電子獲得高能量。在放電室外安置磁場以增加電子回旋路程，從而增加等離子電離度。電離時氣壓可低到10-110-2Pa，這是該離子源的一個特點。由于電離度高可使氬離子束達到200mA，氧離子束能達到110mA。因此它很適用于氧注入硅形成SOI材料的強流氧離子注入機。 低能所用于研究SOI材料制造的氧離子注入機采用的就是俄羅斯生產的微波離子源。l電子回旋共振離子源是利用一種高頻電磁波(微波

45、)中的電場加熱電子，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生多電荷態(tài)離子，并利用磁場來約束電子，使電子不能逃逸，有機會獲得更高的能量，與更多的原子或離子碰撞，打掉更多的電子，也就是說，產生更高電荷態(tài)的離子。l電子回旋共振離子源最大的優(yōu)點是高電荷態(tài)離子束流強(離子束流強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。l離子源本身可長期；穩(wěn)定可靠地工作，沒有壽命問題。正因為如此，這種離子源才會如此備受青睞。遇到的困難遇到的困難金屬離子產生困難金屬離子產生困難l一般純金屬熔點較高，難于氣化，用絕大多數(shù)離子源僅能得到少數(shù)幾種

46、金屬離子，不能滿足金屬離子注入的要求。MEVVA（Metal Vapor Vacuum Arc)離子源離子源l年，加州理工大學伯克利實驗室的布朗發(fā)明了源，解決了這個問題。l特點：、幾乎可以引出元素周期表上所有可以導電的元素的離子束，包括、等非金屬，以及從導電化合物中引出混合離子束。、引出的離子束中多電荷離子的比例大（見表格）。l該離子源工作時不需要輔助氣體，工作真空度達以上。l基本工作原理：利用陰極和陽極間的真空弧放電。l熔融狀的陰極斑。l陰極由所需離子的導電固體材料制成。l起弧電壓（弧壓）和觸發(fā)電壓l弧壓不能直接形成真空弧放電，必須經過觸發(fā)電極的觸發(fā)，在陰極表面產生少量等離子體，當?shù)入x子體到

47、達陽極，使主弧（陰極和陽極間）電路接通，這時才形成真空弧放電。l離子源-無窮的魅力， 戲劇性傳奇色彩， 極具“魔力”的挑戰(zhàn)性l離子源的設計、建造，特別是調試，還處于半理論和半經驗狀態(tài)，沒有完整的理論可遵循l許多國外同行常說的那樣，電子回旋共振離子源本身就像魔術一樣，有時神秘莫測，變化無常，但在某些方面又顯得相當簡潔，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，目前在國際上各領域有近二三百臺這種離子源在運行，還有更多的正在建造之中，但它的許多基本原理和工作機制至今還不甚清楚。一臺高電荷態(tài)電子回旋共振離子源的設計、建造，特別是調試，還處于半理論和半經驗狀態(tài)，沒有完整的理論可遵循，常

48、常是一系列新的實驗現(xiàn)象和實驗結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遠地落后于實驗進展。在電子回旋共振離子源的研制中，無權威可言，只要你不斷努力、嘗試，總會有新的發(fā)現(xiàn)。新的進展使你驚喜萬分，但又常常迷惑不解。在國際電子回旋共振離子源領域，沒有人敢夸口他的離子源所創(chuàng)束流紀錄可保持半年。新的思想、新的結果、新的技術乃至許許多多的小竅門總是層出不窮；相互競爭激烈，而相互交流勾通又是那么廣泛。至今，幾乎每一臺電子回旋共振離子源都能一直正常工作，但是，一臺好的離子源和另一臺差的離子源相比，其性能和束流指標千差萬別。l在微波離子源中，當你向離子源中摻入一種比工作氣體較輕的氣體時，你

49、會發(fā)現(xiàn)工作物質的高電荷態(tài)離子產額可大幅度提高。這種現(xiàn)象叫摻氣效應，這種效應是在一次偶然的試驗中發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)在幾乎所有的電子回旋共振離子源都在使用這種效應以提高高電荷態(tài)離子束流強，這種方法看起來是如此之簡單，可效果非常明顯。但在過去的15年里，有許多實驗小組都試圖從理淪和實驗上給予解釋，然而到目前為止，還沒有一種完善的解釋能自圓其說，令人信服。l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“權威”的否定，他們認為不可能美國貝克利國家實驗室的謝祖棋博士，大膽地從實驗上做了

50、嘗試，出人意料地發(fā)現(xiàn)高電荷態(tài)離子產額大幅度提高了，但其詳盡的物理解釋還不甚明確，以至于兩年后，有同行用實驗重復證實了這個結果以后，國際電子回旋共振離子源先驅者之一的梯姆昂塔亞(TAntaya)博土在國際會議上感嘆；“我真為雙頻加熱擔心，物理機制何在?但它又是確定無誤的實驗事實!”8080年代學術界曾流傳的一句玩笑年代學術界曾流傳的一句玩笑l電子束離子源(另外一種多電荷態(tài)離子源)的科學家們至少可以理解他們的電子束離子源為什么工作運行得如此糟糕，而可憐的微波離子源的科學家總是不明白他們的微波離子源為什么工作運行得如此之好!l這便是離子源魔力之所在。這種魔力驅使人們不斷地去探索、思考，不斷地提出新的

51、思想、新的概念，去揭示其中的奧妙。離子注入機的分類離子注入機的分類u離子注入機按能量大小可分為： 低能注入機（550keV） 能量大小 中能注入機（50200keV） 高能注入機（0.35MeV）u按束流強度大小可分為： 低束流注入機（幾A左右） 束流大小 中束流注入機（幾A幾百A） 高束流注入機（幾mA幾十上百mA）u按束流工作狀態(tài)可分為： 穩(wěn)流注入機 束流狀態(tài) 脈沖注入機u按使用目的可分為： 半導體精細摻雜注入機 離子束分析用注入機 使用目的 材料表面改性用離子注入機 其他使帶電粒子偏轉，分出中性粒子流使帶電粒子偏轉，分出中性粒子流中性束路徑中性束路徑類似電視機，讓束流上下來回的對圓片掃描

52、類似電視機，讓束流上下來回的對圓片掃描半導體微電子工業(yè)用離子注入系統(tǒng)的原理示意圖半導體微電子工業(yè)用離子注入系統(tǒng)的原理示意圖二、半導體微電子工業(yè)用離子注入系統(tǒng)二、半導體微電子工業(yè)用離子注入系統(tǒng)磁分析器磁分析器離離子子源源加速管加速管聚焦聚焦掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)靶靶rdtqIAQ1GraphiteIon sourceAnalyzing magnetIon beamExtraction assemblyLighter ionsHeavy ionsNeutralsAnalyzing Magnet離子注入機分析磁鐵離子注入機分析磁鐵General Schematic of an Ion ImplanterI

53、on sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning diskSourceAtomic mass analysis magnetLinear acceleratorFinal energy analysis magnetScan diskWaferLinear Accelerator for High-Energy Implanters100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40

54、kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnet加速管加速管擋板擋板-中性粒子子的收集中性粒子子的收集離子注入機產生的離子束是一條線狀的粒子，須有掃描裝置才能進行整個晶片的摻雜。分為電子式和機械式l電子式：離子束分別經過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，粒子束的運動方向被偏移。，對粒子束進行上下及左右偏移，晶片靜置。l機械式：離子束方向不變，改變晶片的位置。電掃描偏轉電掃描偏轉DzyvlLdD=VlL/2vd偏轉電壓V在一個方向上低頻掃描（每秒幾次），另一個

55、方向上高頻掃描（每秒可達幾千幾萬次）。在一個方向上低頻掃描（每秒幾次），另一個方向上高頻掃描（每秒可達幾千幾萬次）。經過掃描后，注入到硅片上，摻雜量的不均勻性可小于經過掃描后，注入到硅片上，摻雜量的不均勻性可小于1%，注入批次的重復性也小于，注入批次的重復性也小于1%。 + Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflection機械掃描系統(tǒng)機械掃描系統(tǒng)Single Wafer Scanning System電子簇射器

56、電子簇射器帶正電荷的注入離子對晶片表面進行注入后，晶片表面會帶正電使后續(xù)的帶正電荷的注入離子在注入晶片之前運動方向受到影響，產生離子束膨大現(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：由產生熱電子的熱燈絲及金屬靶組成。燈絲產生的熱電子轟擊金屬靶獲得二次電子，這些二次電子擴散到晶片表面中和正電荷。半導體摻雜及分析用離子注入設備國產中束流離子注入機國產中束流離子注入機20-80KeV400-500W/hVll Sta 810XEr 中束流注入機中束流注入機Vll Sta 80HP 300mm 300mm 大束流注入大束流注入機機

57、1-80KeV FOR 90nm IC process三、材料改性用離子注入機三、材料改性用離子注入機特點：束流強度要大，摻雜密度高，時間長 純度要求不太高，不需要質量分析器 均勻性要求低，10%20% 束斑直徑盡可能大，不需要掃描 離子種類更全 設備簡單，注入費用低l1.英國哈威爾原子能研究中心的強束流氮離子注入機l離子源氣體高純氮氣，引出的是高純的氮離子束，不需要進行質量分析l束流強度50mA，（過去的一般1mA）l束流直徑可達1m，省略了偏轉掃描系統(tǒng)l靶室直徑可達2.5m， 大工件的注入， 2噸的重工件l世界各地有幾十個氮離子注入中心2 2、全方位浸沒離子注入、全方位浸沒離子注入 l將注入的工件置于等離子體中，加上負電壓，于是等離子體中的正離子則奔向工件而注入到工件表面。l特點：全方位離子注入，可加工復雜的工件。3.工業(yè)用強流金屬離子注入機工業(yè)用強流金屬離子注入機（MEVVA源）源）l美國伯克利實驗室工業(yè)用金屬MEVVA源注入機，束斑直徑0.5m，引出電壓50KV，最大