离子注入简介
离子注入工艺原理
离子注入工艺原理离子注入（Ion Implantation）是一种常用的半导体加工技术，通过将选择性的离子注入到半导体材料中，来改变其电学性质，实现各种功能。
离子注入工艺原理可以分为三个主要步骤：离子产生，离子加速以及离子注入。
首先，离子产生是离子注入过程的第一步。
离子源是离子加速的关键，通常使用离子源来产生所需的离子种类。
离子源有许多类型，包括离子脱附（sputtering）源、电离源（ionization）或者离子化（ionized）源等。
其中较为常见的是离子脱附源，通过将砷、硼等半导体材料投放在高能量粒子（如氩离子）中，来脱离砷或硼原子产生相应离子。
这些离子会进一步被加速，并被注入到半导体材料中。
接下来，是离子加速的过程。
离子会通过一种电场来加速，通常是一个加速器。
这个电场可以是一个电势差，通过与离子之间形成的电场将离子加速到高能量。
在离子注入中，通常使用的是加速电势差。
离子源中的离子在电场的作用下，获得足够的能量，从而达到所需的注入深度。
最后，是离子注入的过程。
一旦离子获得足够的能量，它们会进入到半导体材料中，并通过对材料进行注入来改变其电学性质。
离子注入的深度可以通过加速电压和荷质比等参数来控制，通过调整参数可以实现不同深度的注入。
离子注入技术的原理在于将特定的离子种类注入到半导体材料中，从而改变其性质。
原子尺寸的改变可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
例如，将掺杂硼离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成P类型半导体，而将掺杂磷离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成N类型半导体。
这种通过离子注入调整材料性质的能力，使得离子注入成为了半导体工业中不可或缺的一部分。
离子注入工艺有许多应用，包括集成电路制造和半导体器件制造。
通过离子注入，可以改变材料的导电性、控制晶体中的通道形成、增加或改变半导体材料中的杂质等。
这对于集成电路芯片和其他电子元件的设计和制造至关重要，使其具有所需的电学性质和性能。
总之，离子注入工艺通过离子源的产生、离子加速和离子注入等步骤，将特定的离子注入到半导体材料中，从而改变其性质。
tdk离子注入
TDK离子注入1. 引言TDK离子注入是一种常见的表面处理技术，通过将离子注入到材料表面，可以改善其性能和特性。
本文将详细介绍TDK离子注入的原理、应用领域和优势。
2. 原理TDK离子注入是一种将离子加速到高能量并将其注入到固体材料表面的过程。
该过程通常在真空环境中进行，以确保离子与大气中的气体分子不发生碰撞。
离子可以是单质元素或化合物。
在离子加速器中，通过电场或磁场对离子进行加速，并使其获得足够的动能以穿透材料表面。
当离子穿过材料表面时，它们与材料原子发生相互作用，导致原子重新排列或形成新的化学键。
这些变化可以改变材料的物理、化学和电学特性。
3. 应用领域TDK离子注入在多个领域都有广泛应用。
3.1 半导体行业在半导体行业中，TDK离子注入被广泛应用于芯片制造过程中。
通过注入特定的离子，可以改变半导体材料的导电性能或控制晶体缺陷，从而调节芯片的性能和特性。
3.2 表面硬化TDK离子注入可以使材料表面形成一层硬化层，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。
这对于汽车、航空航天和军事等领域的零部件来说尤为重要。
3.3 生物医学应用在生物医学领域，TDK离子注入被用于改善人工关节、牙科种植体和其他生物医学器械的表面特性。
通过离子注入，可以增强材料与生物组织之间的相容性，并提高其耐磨性和抗菌性能。
3.4 光学涂层TDK离子注入还可以用于光学涂层的制备。
通过将特定离子注入到光学涂层中，可以调节其折射率、反射率和传输率，从而实现对光的控制。
4. 优势相比其他表面处理技术，TDK离子注入具有以下优势：4.1 精确控制TDK离子注入可以精确控制离子的能量、注入剂量和深度。
这使得可以根据具体需求调节材料的性能和特性。
4.2 高效性由于离子注入是一个物理过程，不涉及化学反应，因此具有高效性。
离子注入速度快，处理时间短。
4.3 无污染TDK离子注入过程中不需要使用化学溶液或添加剂，避免了对环境的污染。
4.4 可逆性与其他表面处理技术不同，TDK离子注入是可逆的。
离子注入技术培训
02
离子注入技术可以改变金属表面的结构和性质，从而提高金属的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能等。在汽车、航空航天、石油化工等领域有广泛应用。
生物医学
03
离子注入技术在生物医学领域也有广泛应用，如放射性离子注入治疗肿瘤、离子束照射用于基因治疗等。
20世纪50年代：离子注入技术的雏形出现，当时主要用于研究气体放电和带电粒子在气体中的行为。
结果讨论
对实验结果进行深入讨论，探讨可能的原因和机制，提出改进措施。
文献对比
查阅相关文献，将本次实验结果与前人研究结果进行对比分析。
总结与展望
总结实验经验与成果，指出不足之处，并提出进一步的研究方向和展望。
05
离子注入技术的应用案例
总结词
离子注入技术在半导体制造中应用广泛，主要用于提高芯片性能和可靠性。
离子注入的工艺参数主要包括离子的种类、能量、剂量、注入角度和温度等。
注入角度决定了离子束与材料表面的夹角，温度则影响材料表面的热稳定性和晶格结构。
离子的种类和能量决定了注入过程中与材料原子的相互作用机制和作用程度，剂量则决定了注入层中的离子浓度和分布。
这些工艺参数的选择和控制对于实现良好的离子注入效果至关重要。
离子注入技术的基本原理是将需要注入的元素或化合物进行离子化，然后在电场的作用下将离子束注入到固体材料的表面。在注入过程中，离子会与材料表面的原子或分子发生能量交换和动量交换，从而改变材料表面的结构和性质。
半导体制造
01
离子注入技术在半导体制造中应用广泛，主要用于制造集成电路、晶体管、太阳能电池等。通过离子注入技术可以实现对半导体材料的掺杂和改性，提高器件的性能和可靠性。
02
离子注入技术的基本原理
离子注入
摩擦系数降低
高耐磨性。
离子注入引起摩擦系数降低，从而提
磨损粒子润滑作用
离子注入表面磨损的碎片比没有
注入的表面磨损碎片更细，接近等轴，而不是片状的， 因而改善了润滑作用。
3.离子注入改性机理
离子注入提高疲劳强度机理
产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形
成可塑表面层，是表面强度提高。离子注入后在近表面层
注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外
扩散，从而降低氧化速率
3.离子注入改性机理
离子注入提高耐腐蚀性的机理
离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性
能，提高耐蚀性
3.离子注入改性机理
产生表面污染膜
在离子注入过程中，离子注入机真空系统中的油蒸
气经辐射分解，并经离子反冲注入样品，使样品近表面层
的碳含量增高，在样品表面形成一层棕褐色的碳污染膜。
近来一些试验证明，当碳污染膜的结构为非晶态相时，其 抗腐蚀性将明显提高。
3.离子注入改性机理
使表面产生钝化膜 在钢表面注入易产生钝化膜的元素，如铬、铝、硅、钽等，使 注入后的材料表面产生一层注入元素和氧的化合物膜，从而使表面钝
化而提高抗腐蚀性。
产生表面惰性层 在材料表面注入惰性元素，如铜、镍等，在表面形成一层抗腐 蚀性较强的惰性表层，使表层化学稳定性提高，增加抗腐蚀性。
3.离子注入改性机理
离子注入提高硬度的机理
提 高 硬 度 机 理
固溶强化 弥散强化 冷作硬化
3.离子注入改性机理
离子注入提高硬度的机理
固溶强化
注入的原子进入位错附近产生。该强化主
要体现在像C，N这类小尺寸原子半径的间隙原子的注入
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入介绍
掺杂，曝光，刻蚀，镀膜，退火，净化，改性，打孔，切割，等。不同 的用途需要不同的离子能量E，
E<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术
离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接 打入晶元中，达到掺杂的目的
共晶合金LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属 的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。 当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式： 先加速后分析 前后加速，中间分析 第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.偏转扫描系统
用来使离子束沿X,Y方向在一定面积内进行扫描 静电光栅扫描，适于中低束流机 机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流 注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子，磁质量分析 器则相反，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子 加速。该加速能量是决定离子 注入深度的一个重要参量，一 般需要<1e-6Torr的真空环境
离子注入
级联碰撞
移位原子
因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 能量淀积过程 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电 子的过程，称为能量淀积过程。一般来说，能量淀积可 以通过弹性碰撞和非弹性碰撞两种形式进行。弹性碰撞 能量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形 式的能。
当注入离子的能量较高时，非弹性碰撞淀积过程起 主要作用；离子的能量较低时，弹性碰撞占主要地位。 在集成电路制造中，弹性碰撞占主要地位。
离子注入
四、离子注入的缺点
产生的晶格损伤不易消除
很难进行很深或很浅的结的注入 高剂量注入时产率低 设备价格昂贵（约200万美金）
离子注入
五、离子注入的应用
可以用于n/p型硅的制作 隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备
注入离子在无定形靶中的分布
级联碰撞
移位阀能
使一个处于晶格位置的原子发生移位所需要的最小能 量称为移位阀能，用Ed表示。 注入离子与靶内原子碰撞的3种可能 1.碰撞过程中传递的能量小于Ed,被碰原子在平衡位置振动, 将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子,表现为宏观热 能； 2.碰撞过程中传递的能量在Ed和2Ed间,被碰原子成为移位原 子，并留下一个空位,但它不可能使与它碰撞原子移位； 3.被碰原子本身移位后,还具有很高的能量，在它运动过程 中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。
离子注入的沟道效应
沟道效应的定义 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离 子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入 离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为沟道效 应。 产生沟道效应的原因 当离子注入的方向=沟道方向时,离子因为没有碰到晶格 而长驱直入，故注入深度较大。 沟道效应产生的影响 在不应该存在杂质的深度发现杂质。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
离子注入简介
我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？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，这一现象就叫做离子注入。
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高新技术。
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。
此项高新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。
作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：(1)它是一种纯净的无公害的表面处理技术；(2)无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；(3)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；(4)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。
虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：(1)离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；(2)加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；(3)离子束的质量分析(离子种类的选择)；(4)离子束的约束与控制；
(5)靶室；(6)真空系统。
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。
大家知道，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。
M EVVA源离子注入———强流金属离子注入的一场革命
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。
M EVVA源离子注入机的突出优点有以下几点：(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。
其革命性主要表现在两个方面，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。
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，十分有利于这项高新技术的产业化。
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。
这项高新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。
根据我们多年来的研究与开发，同时借鉴近年来国际上的新进展，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。
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。
最近报道的一种多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，是目前世界上束流最强的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。
知识链接
离子注入：离子注入技术是近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高新技术。
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，并引起材料表面成份、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。