離子注入技術

不同類型的離子源用於產生各種強度的離子束；質量分析器用來除去不需要的雜質離子；束流掃描裝置用來保證大面積注入的均勻性；靶室用來安裝需要注入的樣品或元器件，對不同的對象和不同的注入條件要求可選用不同構造的靶室。

離子注入的基本特點是:①純淨摻雜,離子注入是在真空系統中進行的,同時使用高分辨率的質量分析器,保證摻雜離子具有極高的純度。②摻雜離子濃度不受平衡固溶度的限制。原則上各種元素均可成為摻雜元素，並可以達到常規方法所無法達到的摻雜濃度。對於那些常規方法不能摻雜的元素,離子注入技術也並不難實現③注入離子的濃度和深度分佈精確可控。注入的離子數決定於積累的束流，深度分佈則由加速電壓控制，這兩個參量可以由外界系統精確測量、嚴格控制。④注入離子時襯底温度可自由選擇。根據需要既可以在高温下摻雜，也可以在室温或低温條件下摻雜。這在實際應用中是很有價值的。⑤大面積均勻注入。離子注入系統中的束流掃描裝置可以保證在很大的面積上具有很高的摻雜均勻性。⑥離子注入摻雜深度小。一般在 1um以內。例如對於100keV離子的平均射程的典型值約為0.1um。

離子注入是將離子源產生的離子經加速後高速射向材料表面，當離子進入表面，將與固體中的原子碰撞，將其擠進內部，並在其射程前後和側面激發出一個尾跡。這些撞離原子再與其它原子碰撞，後者再繼續下去，大約在10-11s內，材料中將建立一個有數百個間隙原子和空位的區域。這所謂碰撞級聯雖然不能完全理解為一個熱過程，但經常看成是一個熱能很集中的峯。一個帶有100keV能量的離子通常在其能量耗盡並停留之前，可進入到數百到數千原子層。當材料回覆到平衡，大多數原子回到正常的點陣位置，而留下一些“凍結”的空位和間隙原子。這一過程在表面下建立了富集註入元素並具有損傷的表層。離子和損傷的分佈大體為高斯分佈 ^[1]  。

離子注入首先是作為一種半導體材料的摻雜技術發展起來的，它所取得的成功是其優越性的最好例證。低温摻雜、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優點，使得經離子注入摻雜所製成的幾十種半導體器件和集成電路具有速度快、功耗低、穩定性好、成品率高等特點。對於大規模、超大規模集成電路來説，離子注入更是一種理想的摻雜工藝。如前所述，離子注入層是極薄的，同時，離子束的直進性保證注入的離子幾乎是垂直地向內摻雜，橫向擴散極其微小，這樣就有可能使電路的線條更加纖細，線條間距進一步縮短，從而大大提高集成度。此外,離子注入技術的高精度和高均勻性,可以大幅度提高集成電路的成品率。隨着工藝上和理論上的日益完善，離子注入已經成為半導體器件和集成電路生產的關鍵工藝之一。在製造半導體器件和集成電路的生產線上，已經廣泛地配備了離子注入機。

70年代以後，離子注入在金屬表面改性方面的應用迅速發展。在耐磨性的研究方面已取得顯著成績，並得到初步的應用，在耐腐蝕性(包括高温氧化和水腐蝕)的研究方面也已取得重要的進展。

注入金屬表面的摻雜原子本身和在注入過程中產生的點陣缺陷，都對位錯的運動起“釘扎”作用，從而使金屬表面得到強化，提高了表面硬度。其次，適當選擇摻雜元素，可以使注入層本身起着一種固體潤滑劑的作用,使摩擦係數顯著降低。例如用錫離子注入En352軸承鋼，可以使摩擦係數減小一半。尤其重要的是，儘管注入層極薄，但是有效的耐磨損深度卻要比注入層深度大一個數量級以上。實驗結果業已證明，摻雜原子在磨損過程中不斷向基體內部推移,相當於注入層逐步內移,因此可以相當持久地保持注入層的耐磨性。

離子注入後形成的表面合金，其耐腐蝕性相當於相應合金的性能，更重要的是，離子注入還可以獲得特殊的耐蝕性非晶態或亞穩態表面合金，而且離子注入和離子束分析技術相結合，作為一種重要的研究手段，有助於表面合金化及其機制的研究。

離子注入作為金屬材料改性的技術，還有一個重要的優點，即注入雜質的深度分佈接近於高斯分佈，注入層和基體之間沒有明顯的界限，結合是極其緊密的。又因為注入層極薄，可以使被處理的樣品或工件的基體的物理化學性能保持不變,外形尺寸不發生宏觀的變化,適宜於作為一種最後的表面處理工藝。

離子注入由於化學上純淨、工藝上精確可控，因此作為一種獨特的研究手段，還被廣泛應用於改變光學材料的折射率、提高超導材料的臨界温度，表面催化、改變磁性材料的磁化強度和提高磁泡的運動速度和模擬中子輻照損傷等等領域。