第三讲--离子束技术
表面改性的离子束技术知识
目
CONTENCT
录
• 离子束技术概述 • 表面改性技术 • 离子束表面改性技术 • 离子束表面改性技术的应用 • 未来展望
01
离子束技术概述
离子束技术的定义
离子束技术是一种利用离子束对材料表面进行改性的技术，通过 离子束对材料表面的撞击和注入，实现材料表面的物理、化学和 机械性能的改变。
应用机遇
随着科技的不断进步，对高性能材料的需求日益增长，离子束表面改性技术在提高材料性能、延长使用寿命等方 面具有显著优势，具有广阔的市场前景。
离子束表面改性技术的未来研究方向Βιβλιοθήκη 010203
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深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
详细描述
离子束技术通过将高能离子注入材料表面，诱导表面形成硬化层 和增强相，从而提高材料的硬度和耐磨损性能。这种改性方法在 金属、陶瓷和复合材料等领域得到广泛应用。
提高材料表面的耐腐蚀性
总结词
离子束表面改性技术通过改变材料表面的化学成分和结构，有效提高其耐腐蚀 性能，延长使用寿命。
详细描述
离子束技术可以改变材料表面的元素组成和微观结构，形成具有优异耐腐蚀性 能的表面层。这种改性方法在海洋工程、石油化工和汽车制造等领域具有广阔 的应用前景。
总结词
离子束表面改性技术能够优化材料表面 的光学性能，提高反射、吸收或散射等 特性。
VS
详细描述
离子束技术可以通过精细调控表面成分和 微观结构，实现对材料表面光学性能的优 化。这种改性方法在光学仪器、光电器件 和装饰行业等领域具有广泛的应用价值。
第二讲光刻掩模第三讲离子束技术
是化学反应，物理溅射次之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
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2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
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2.1 等离子刻蚀（PE----Plasma Etching)
2.1.1 等离子刻蚀原理
气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生 辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。 在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由 电子。游离基在化学上是很活泼的。 等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被 刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统 抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。
被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（Å/min） 245~300 560 1500~1600 1400~1700 320 40~50 250~300 420~520 100~130 90 500~550 280~400 200
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例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
离子束加工技术的研究及应用
离子束加工技术的研究及应用离子束加工技术是通过加速离子束并将其瞄准到目标物表面，通过离子与物质相互作用，使得目标物表面发生物理或化学反应的一种表面加工技术。
该技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点。
因此，离子束加工技术在材料科学、电子信息、光学等领域中获得广泛应用。
本文将从离子束加工技术的原理、研究进展以及应用三个方面来介绍该技术的现状和未来发展。
一、离子束加工技术的原理离子束加工技术是一种表面加工技术，其加工原理与传统的机械切削和化学反应加工有所不同。
其基本过程是通过高能离子束准确地瞄准到目标物表面，离子束与目标物表面相互作用，促进表面发生物理或化学反应，最终实现加工过程。
其中，离子束主要通过瞄准精度和加速能量来控制反应速率和表面结构。
离子束加工技术的主要原理包括以下三个方面：1. 离子束加速技术：离子束加工技术中，离子束的加速是其基本原理。
离子束一般通过加速器进行加速，其加速倍数决定了离子束的加工速率和加工深度。
离子束的加速倍数越高，则离子束的轰击能量，对工件表面的损伤就越大，加工效果也就越好。
2. 离子束瞄准技术：离子束瞄准技术是通过控制离子束的方向和位置，使其准确瞄准到目标物表面进行加工。
通过瞄准角度、扫描方向和覆盖范围等参数的调整，可以实现加工位置的精度控制，并且可以保证加工精度和加工质量。
3. 离子束撞击效应：离子束撞击效应是指离子束与目标物表面相互作用时，离子的动能被转化为等离子体能，并且通过反射、透射和散射等现象，与目标物表面发生相互作用，从而实现表面加工。
二、离子束加工技术的研究进展离子束加工技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点，因此，在材料科学、电子信息、光学等领域中获得了广泛应用。
随着物理化学技术的发展和相关领域的需求，离子束加工技术在处理材料方面表现出越来越重要的作用。
离子束加工技术的研究进展主要包括前置处理技术、控制技术、退火处理技术以及晶体控制技术等方面：1. 前置处理技术：前置处理技术主要包括差速泵技术和真空和高温蒸发技术。
第六章 表面改性技术3
第四节 电子束表面处理 二. 电子束改性的特点
a) 加热、冷却速度快。金属材料表面经电子来加热，从室温加热到 奥氏体化温暖或熔化温度仅需几分之一秒到下分之一秒，其冷却 速度可达到108℃/s。 b) 成本低。电子束表面处理设备的一次性投资约为激光表面处理设 备的1／3，其实际使用成本也只有激光表面处理的1／2。 c) 设备结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，无需工件转动和光传 输机构。 d) 能量控制简便。电子束的能量控制比激光束方便。 e) 电子束与金属表面作用耦合性好，能量利用率高。电子束的能量 利用率可达95％，其与金属工件表面的耦合作用，电子束所射的 表面角除3o一4o特小角外，不受反射的影响，而且在电子束处理 前无需像激光束处理那样对工件表面涂吸收涂层。 f) 处理中工件不被污染，质量好。这是因电子束在真空条件下工 作，可保证被处理的工件不被氧化。 g) 电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。电于束加热熔化层的 厚度至少有数微米，而且加热时能量沉积的范围较宽，约有一半 的电子作用区几乎同时熔化。 电子束因易激发x射线，在使用中应注意防护。 24
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第四节 激光束表面改性技术
2.激光束与金属作用的类型 激光束直接作用在金属材料表面时，可产生热作用、力作用及光作用。 <1>热作用 激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的吸 收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激 光光子的吸收。 <2>力作用 当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金属表面高的温度梯度，在亚 表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发 生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材料发生 膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的压应力。 如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出自由表 面。在冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力，冷至初始温 度时就会发生拉伸塑变。 (3)光作用 激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用是 一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机 材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。 17
物理实验技术中的离子束测量与控制技巧
物理实验技术中的离子束测量与控制技巧离子束技术是一种在物理实验中广泛应用的技术手段，通过控制离子束的粒子数、速度和能量来实现对材料表面的分析和加工。
在离子束实验中，离子束的测量和控制是非常重要的环节，本文将探讨物理实验技术中的离子束测量与控制的关键技巧。
一、离子束测量技巧离子束的测量是精确控制离子束的前提，其中包括离子束的实时监测与测量方法的选择。
1. 实时监测离子束的实时监测是离子束测量的重要一环。
常用的方法包括离子束流密度的监测、能量分布的监测以及离子束的径迹追踪。
离子束流密度的监测可以通过离子测量器件实现，如离子多道测量器和离子阱测量器。
其中，离子多道测量器可以实现离子束流密度的分布监测，离子阱测量器则可以实现离子束流密度的实时监测。
能量分布的监测可以通过能量分析仪实现，常用的有能量分析器和能量多道测量器。
能量分析器可以实时监测离子束的能量分布情况，而能量多道测量器则可以实现离子束能量的多通道测量。
离子束的径迹追踪是指通过对离子束轨迹的跟踪和分析，来实现对离子束的测量。
常用的方法包括阳极板和荧光屏，阳极板可以在离子束轰击下发生氧化反应，从而产生电流信号用于测量；荧光屏则是通过离子轰击产生的荧光来实现对离子束位置的测量。
2. 测量方法的选择除了实时监测外，离子束的测量还需要选择合适的方法。
常用的离子束测量方法包括能量分散谱和离子沉积。
能量分散谱是通过能量分析仪来测量离子束的能量分布情况，可以得到离子束的能量分布信息。
离子沉积是指离子束轰击样品表面后，离子在样品中形成的输运和扩散过程。
通过测量样品上的沉积离子的分布和形貌来判断离子束的质量和强度。
二、离子束控制技巧离子束的控制是实现对离子束的粒子数、速度和能量的精确控制，其中包括离子束发生器的控制、离子束的聚焦与聚焦力大小的控制以及离子束的导向和偏转控制。
1. 离子束发生器的控制离子束发生器的控制是离子束技术中的关键环节，可以通过调节离子源的工作参数来控制离子束的发射。
离子束技术名词解释
离子束技术名词解释
离子束技术名词解释
离子束技术（Ion Beam Technology）是一种用来实现可控变化
的粒子束技术，其主要用途是进行材料，物理和化学分析，以及表面改性。
它主要依赖于当粒子束技术用于处理物质时所产生的反应。
分子束（Molecular Beam）是指具有极微小体积的液体，气体或固体粒子的束流。
它们通常由一种电子枪或其他特殊装置分子枪发射。
它们也可以通过离子枪，束缝或线束腔被激发。
反应束（Reaction Beam）是指依靠离子束技术实现的一种化学
反应。
它可以实现液-固反应，液-液反应以及固体-固体反应。
这些
反应通常使用特定类型的离子枪或电子枪，并在粒子束技术下进行处理，从而产生一定的变化和影响。
表面改性（Surface Modification）是指在粒子束过程中对表面进行修改以改变其特性的技术。
它包括表面形变、去除、脱落、形成、变质、表面改性和表面改性。
离子束分析（Ion Beam Analysis）是指使用离子束技术进行的
分析技术，可用于研究物质的结构和性质。
它主要利用离子枪，离子束和检测器来实现。
加速器（Accelerator）是指用于加快电子和离子实现构型变化
和形成离子束的装置。
它可以通过电荷泵，电离室等方式来实现。
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浅析离子束生物技术
浅析离子束生物技术摘要离子束是有一定能量且其质量数小于或等于4的带电束。
低能重离子注入水稻可诱变育种。
离子束生物技术是将有关离子注入遗传物质，导致DNA分子位移、重排，重组DNA，离子束加工细胞，损伤部分基因，引导外源基因转入受体，实现在新的背景下的诱变和遗传转化，达到培育高产菌种的目的，涉及内源DNA重组、外源DNA介导、细胞手术以及生命起源、细胞通讯基因表达研究，在农业、发酵行业、制药行业、和生命科学研究中有广泛的应用前景。
关键词离子束；生物效应；遗传改良1离子束对生物体作用机理离子束具有低氧增比、高传能密度（LET）、尖锐的电离峰（Bragg峰）特点，它能准确控制部位和入射深度，能量增加导致入射深度增加，不同注入深度的能量损失曲线分布呈尖峰式。
与射线比较，离子束在电场和磁场的共同作用下获得不同能量，可以获得平行束，直进性好。
重离子注入使动量、质量、电荷和能量共同作用于生物体，使注入离子具有尖锐的Bragg峰和高LET。
离子注入生物体后发生作用有电荷交换、动量传递、能量沉积、质量沉积，能量沉积效应、质量沉积效应、电荷交换效应是离子束生物技术的主要理论依据，能量、质量、电荷成为离子束生物技术作用的核心。
能量沉积指生物大分子与注入离子发生一系列碰撞并逐步失去能量，而生物大分子逐步获得能量进而发生键断裂、原子被击出位、生物大分子留下断键或缺陷的过程；质量沉积指注入离子与生物大分形成新分子；动量传递会在分子中产生级联损伤；电荷交换引起生物分子电子转移造成损伤，使生物体产生死亡、染色体重复、易位、倒位或使DNA分子断裂、碱基缺失等多种生物学效应。
能量传递引起细胞形态变异，主要表现在减薄细胞壁，损伤细胞膜，剂量较大时使细胞破裂。
蚀刻现象是由物理因素引起的物体表面发生腐蚀的一种过程，是具有一定能量的离子作用于物体表面的腐蚀痕迹。
离子束注入生物效应包括三个阶段：1）物理阶段，此阶段，离子束同靶原子发生强烈碰撞，使生物体产生一定程度的刻蚀作用，产生低能离子束通道。
特种加工技术课件：离子束加工 -
9.1.2 特點
①加工精度高：因離子束流密度和能量可得到精確控制，離子 束加工是目前非傳統加工工藝方法中最精密、最微細的加工方 法。離子刻蝕可達納米級或原子級精度，離子鍍膜可控制在亞 微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。 ②潔淨加工： 在較高真空度下進行加工，工作環境污染少。特 別適合加工易氧化的金屬、合金和高純度的半導體材料。 ③工件無變形：離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實 現的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜於對 各種薄弱材料和低剛度零件進行加工。 ④成本高：需要一整套專用設備和真空系統，設備昂貴、加工 成本較高，效率低下。
離子束加工(IBM) 9.1 離子束加工原理及特點
9.1.1 加工原理 離子束加工（Ion beam machining，IBM）是一種精
密、細微的非傳統加工方法，它的加工原理與電子束加 工原理基本類似，離子束加工是在真空條件下，先由電 子槍產生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之 電離室中，使低壓惰性氣體離子化,成為等離子體。由 負極引出陽離子又經加速、集束等步驟，獲得具有一定 速度的離子投射到工件材料表面，產生濺射效應和注入 效應，從而實現離子束加工。所不同的是離子帶正電荷， 其品質比電子大上千倍，故在電場中加速較慢，但一旦 加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能，因此， 離子束撞擊工件將引起變形、分離、嵌入、破壞等機械 作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。
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（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°） 被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（nm/min） 24.5~30 56 150~160 140~170 32 4~5 25~30 42~52 10~13 9 50~55 28~40 20
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图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型
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图8. 是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的 比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不 同入射角。
图8. 几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系 （E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）
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在离子束刻蚀过程中，选择合 适的入射角可以提高刻蚀效率，这 只是一个方面。另一个方面是靠合 适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。 下图给出了不同角度的刻蚀结果。
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刻面效应（Faceting）
离子束刻蚀的级联碰撞模型 决定了溅射产额随着离子束入射 角的变化而变化，从而在刻蚀过 程中由于基片或掩模表面的离子 束入射角不同导致刻蚀速率的不 同，最终反映在图形转移上使图 形轮廓发生变化。刻面效应就是 这一原因引起的。
图2.19 刻面效应的形成过程
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槽底开沟
当掩模的侧壁不陡直时， 打在倾斜侧壁上面的入射离子 处于大角度的入射状态，表现 出入射离子的高反射率，一部 分会被发射到槽底。这些反射 向槽底某一部位的离子与正常 入射的束离子之和造成入射离 子通量的局部超出，导致该部 位的刻蚀速率高于其他槽底部 位，形成“开沟”。
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谢谢大家！
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图2.20 槽底开沟示意图
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再沉积
由于物理溅射在离子束刻蚀中的 存在，不可避免的产生非挥发性刻蚀 产物，如果刻蚀沟槽的深宽比比较小 时，溅射的材料粒子几乎可以飞出沟 槽外。当沟槽的深度比较大时因为溅 射离子存在一定的角度分布，溅射粒 子不能全部飞出槽外，其中部分大角 度溅射飞出的粒子重新打到掩模和已 刻出基片的侧壁上（图2.21所示）， 形成再沉积过程。它带来的主要问题 是减小刻槽宽度，使其偏离掩模限定 的宽度，导致图形转移精度下降，并 最终限制离子束刻蚀大深宽比沟槽的 能力。
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再沉积形成过程的示意
再沉积问题
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由于再沉积的严重影响了图形 转移精度，如何在刻蚀过程中消除 再沉积是很重要的研究内容。一般 来说有三种方法可以解决再沉积问 题[43、48]。如图2.23所示。对于陡直 的光刻胶掩模可以将工作台倾斜一 定角度（15－30°）并旋转刻蚀，使 离子束可以入射到侧壁上，将沉积 在上面的刻蚀产物去除。这种方法 带来的缺点是加速了掩模侧壁的刻 蚀，使最终获得的槽型展宽，降低 图形转移精度。也可以将掩模做成 一定的角度倾斜或圆形掩模（可以 通过提高后烘温度来实现），使侧 壁暴露在离子束之下，这样可以通 过侧壁上的刻蚀速率和沉积速率的 平衡来解决再沉积。
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图9. RIBE刻蚀SIO2离子束入射角对槽形轮廓的影响
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影响刻蚀效果的因素很多，还有诸 如离子刻蚀的二次效应、光刻胶掩模图 形的形状和厚度、源靶距效应、离子刻 蚀引起的材料损伤及温度效应等。
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离子束刻蚀常见效应
刻蚀的理想结果是将掩模（mask）的图形精确 地转移到基片上，尺寸没有变化。由于物理溅射的 存在，掩模本身的不陡直和溅射产额随离子束入射 角变化等原因，产生了刻面（Faceting）、槽底开 沟（Trenching or Ditching）和再沉积等现象，这 些效应的存在降低了图形转移精度。
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从表上可以看出，对有些材料的刻蚀速 率所给出的数据是一个范围，不是确定值， 这说明理论还不成熟，也说明离子刻蚀过程 是一个非常复杂的问题，不确定因素太多， 因此，对您所使用的刻蚀机按您的操作习惯 自己做刻蚀速率曲线。
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3.2 刻蚀速率与入射角的关系
离子束刻蚀材料的机理，可理解为离子入射材 料表面形成原子溅射的级联碰撞过程。下图说明， 离子入射角度对刻蚀的效率有影响。
图2.23 用掩模来消除刻蚀过程中产生的再沉积
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光刻胶掩模截面形状刻蚀槽形的演变过程
图4.5 光刻胶掩模为半圆截面的石英刻蚀演化过程
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图4.7 光刻胶掩模为侧壁倾斜情况下的刻蚀图形演化过程
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图4.8 光刻胶掩模侧壁陡直情况下的刻蚀槽形演化
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离子束抛光
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图10. 超光滑表面加工结果
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聚焦离子束
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FIB milled tip in a CVD diamond microcrystal. The tip height is ~400 nm, and a radius is ~40 nm.
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离子束镀膜
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离子束辅助电子束蒸发镀膜
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Ion-Assisted Evaporation
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应用举例： 场发射阵列元件的制作
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我们的制作方法
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光刻
反应离子刻蚀
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镀金 聚酰亚胺 氧化处理 离子束刻蚀金
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氧反应离子刻蚀 聚酰亚胺
三氟甲烷反应离 子刻蚀氧化硅