离子注入（材料表面改性技术）

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更新时间：2023-05-20
离子注入
材料表面改性技术
离子注入是指当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中的这一现象叫作离子注入。
基本信息
中文名
离子注入
外文名
Ion implantation
性质
高新技术
原理
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图
离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性 技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
应用
在电子工业中，离子注入成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。因此在当代制造大规模集成电路中，可以说是一种必不可少的手段。
离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105 V），获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。
离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。
在工艺流程中，光刻的下一道工序就是刻蚀或离子注入。在做离子注入时，有光刻胶保护的地方，离子束无法穿透光刻胶；在没有光刻胶的地方离子束才能被注入到衬底中实现掺杂。因此，用于离子注入工艺的光刻胶必须要能有效地阻挡离子束。
集成电路前道制程中有许多光刻层之后的工艺是离子注入（ion implantation），这些光刻层被称为离子注入光刻层（implant layers）。离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉，清除离子注入后的光刻胶是光刻工艺中的一个难点。对清除工艺的要求包括：
（1）干净彻底地去除衬底上的光刻胶；
（2）尽量避免衬底损伤表面，特别是离子注入区域（即没有光刻胶的区域）；
（3）尽量避免对器件（如栅极的金属）造成伤害。
优点
高能离子注入的优势
多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制；
不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序；
牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠，不存在脱落的现象；
不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；
MEVVA源
介绍
M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。
优点
(1)对元素周期表上的固体金属元素(含碳)都能产生10毫安量级的强束流；
(2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；
(3)金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加(离子)注入；
(4)束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要有两个方面，一是它的高性能，另一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成。
发展
在国家863计划的大力支持下，经过十多年的研究和开发，M EVVA源金属离子注入表面技术在硬件(设备)和软件(工艺)两方面均已取得了重要的突破和进展，并已具备了实现产业化的基础。在设备方面，完成了M EVVAIIA-H、MEVVAII-B和MEVVA50型3种不同型号M EVVA源的研制，主要性能达到国际先进水平。仅“九五”期间，就已先后为台湾地区、香港地区和国内大学研究所和工厂生产了15台M EVVA源离子注入机或M EVVA源镀膜设备。
M EVVA源离子注入机的应用，使强流金属离子注入变得更简便、更经济，效率大大提高，十分有利于这项技术的产业化。在表面优化工艺方面，钢制切削工具、模具和精密运动耦合部件3大类、7个品种的M EVVA源离子注入表面处理，取得了延寿3-30倍的显著优化效果，并已通过国家部委级技术鉴定，成果属国际先进水平。
应用
离子注入系统示意图
这项表面处理技术的优越性、实用性及其广阔的市场前景已被越来越多的部门和单位所赏识，得到越来越广泛的应用。根据多年来的研究与开发，同时借鉴国际上的新进展， M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几类工模具和零部件的表面处理：
(1)金属切削工具(包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和硬质合金工具)，一般可以提高使用寿命3-10倍；
(2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；
(3)精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；
(4)挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；
(5)半导体工业中的精密模具，罐头工业中的压印和冲压模具等，可显著提高这些贵重、精密模具的工作寿命；
(6)医用矫形修复部件(如钛合金人工关节)和手术器具等，其经济效益和社会效益非常好。
技术
这项高技术是一个方兴未艾的新兴产业，硬件设备的处理能力和效率有待进一步提高，在软件(离子注入材料表面改性技术)方面，也有待进一步深化和细化，其应用范围也有待不断扩大。
国内外发展概况美国的I SM Tech.公司是国际上生产M EVVA源离子注入机的专业公司，在综合技术水平上处于国际领先。上世纪90年代以来先后研制生产了几种不同类型的商用M EVVA源离子注入机。一种多M EVVA源离子注入机，在真空室里配备了4台AVIS80-75MEV- VA源，总束流可达300mA，总束斑面积可打12，000cm2，是世界上束流最强的M EVVA源离子注入机。欧美工业发达国家的离子注入表面处理技术这一新兴产业发展情况良好，如美国的S PIRE公司和ISM Tech.公司、英国的A EA Industrial Tech.，Tec Vac和Tech-Ni-Plant、法国的N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德国的M AT和丹麦D TI Tribology Centre等均已经取得了可观的经济效益和社会效益，起了很好的示范作用。他们已经将金属离子注入的费用降低到$0.05-0.5/cm2的水平，可以被包括医疗、航空、航天、机械等广泛的领域和部门所接受。
非半导体
非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。半导体材料的离子注入所需的剂量（即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子/平方厘米）比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高（比半导体材料离子注入高1000倍以上），而纯度不要求像半导体那么高。
在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。
金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用中效果更加显著，应用范围更加广泛，许多氮离子注入无法实现的，金属离子注入可以很好地实现。但是，基于半导体离子注入需要的传统离子注入机，要想获得比较强束流的金属离子束是比较困难的，进行非半导体材料离子注入表面改性所需的费用也是比较昂贵的。