等離子體浸沒(méi)離子注入

離子注入介紹

M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發(fā)明研制成功的。這種新型的強(qiáng)流金屬離子源問(wèn)世后很快就被應(yīng)用于非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性，并引起了強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命，這種獨(dú)特的離子注入機(jī)被稱為新一代金屬離子注入機(jī)。

離子注入優(yōu)點(diǎn)

(1)對(duì)元素周期表上的固體金屬元素(含碳)都能產(chǎn)生10毫安量級(jí)的強(qiáng)束流；

(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達(dá)到很高的純度，同時(shí)可以省去昂貴而復(fù)雜的質(zhì)量分析器；

(3)金屬離子一般有幾個(gè)電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個(gè)引出電壓可實(shí)現(xiàn)幾種能量的疊加(離子)注入；

(4)束流是發(fā)散的，可以省去束流約束與掃描系統(tǒng)而達(dá)到大的注入面積。其革命性主要有兩個(gè)方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，主要由離子源、靶室和真空系統(tǒng)這三部分組成。

離子注入發(fā)展

在國(guó)家863計(jì)劃的大力支持下，經(jīng)過(guò)十多年的研究和開發(fā)，M EVVA源金屬離子注入表面技術(shù)在硬件(設(shè)備)和軟件(工藝)兩方面均已取得了重要的突破和進(jìn)展，并已具備了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。在設(shè)備方面，完成了M EVVAIIA-H、MEVVAII-B和MEVVA50型3種不同型號(hào)M EVVA源的研制，主要性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。僅“九五”期間，就已先后為臺(tái)灣地區(qū)、香港地區(qū)和國(guó)內(nèi)大學(xué)研究所和工廠生產(chǎn)了15臺(tái)M EVVA源離子注入機(jī)或M EVVA源鍍膜設(shè)備。

M EVVA源離子注入機(jī)的應(yīng)用，使強(qiáng)流金屬離子注入變得更簡(jiǎn)便、更經(jīng)濟(jì)，效率大大提高，十分有利于這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在表面優(yōu)化工藝方面，鋼制切削工具、模具和精密運(yùn)動(dòng)耦合部件3大類、7個(gè)品種的M EVVA源離子注入表面處理，取得了延壽3-30倍的顯著優(yōu)化效果，并已通過(guò)國(guó)家部委級(jí)技術(shù)鑒定，成果屬國(guó)際先進(jìn)水平。

離子注入應(yīng)用

這項(xiàng)表面處理技術(shù)的優(yōu)越性、實(shí)用性及其廣闊的市場(chǎng)前景已被越來(lái)越多的部門和單位所賞識(shí)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)多年來(lái)的研究與開發(fā)，同時(shí)借鑒國(guó)際上的新進(jìn)展，M EVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：

(1)金屬切削工具(包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質(zhì)合金工具)，一般可以提高使用壽命3-10倍；

(2)熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延長(zhǎng)使用壽命10倍左右；

(3)精密運(yùn)動(dòng)耦合部件，如抽氣泵定子和轉(zhuǎn)子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可大幅度地降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和耐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命最多可以達(dá)到100倍以上；

(4)擠壓合成纖維和光導(dǎo)纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命；

(5)半導(dǎo)體工業(yè)中的精密模具，罐頭工業(yè)中的壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命；

(6)醫(yī)用矯形修復(fù)部件(如鈦合金人工關(guān)節(jié))和手術(shù)器具等，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常好。

離子注入技術(shù)

這項(xiàng)高技術(shù)是一個(gè)方興未艾的新興產(chǎn)業(yè)，硬件設(shè)備的處理能力和效率有待進(jìn)一步提高，在軟件(離子注入材料表面改性技術(shù))方面，也有待進(jìn)一步深化和細(xì)化，其應(yīng)用范圍也有待不斷擴(kuò)大。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況美國(guó)的I SM Tech.公司是國(guó)際上生產(chǎn)M EVVA源離子注入機(jī)的專業(yè)公司，在綜合技術(shù)水平上處于國(guó)際領(lǐng)先。上世紀(jì)90年代以來(lái)先后研制生產(chǎn)了幾種不同類型的商用M EVVA源離子注入機(jī)。一種多M EVVA源離子注入機(jī)，在真空室里配備了4臺(tái)AVIS80-75MEV- VA源，總束流可達(dá)300mA，總束斑面積可打12，000cm2，是世界上束流最強(qiáng)的M EVVA源離子注入機(jī)。歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的離子注入表面處理技術(shù)這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況良好，如美國(guó)的S PIRE公司和ISM Tech.公司、英國(guó)的A EA Industrial Tech.，Tec Vac和Tech-Ni-Plant、法國(guó)的N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國(guó)的M AT和丹麥D TI Tribology Centre等均已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，起了很好的示范作用。他們已經(jīng)將金屬離子注入的費(fèi)用降低到$0.05-0.5/cm2的水平，可以被包括醫(yī)療、航空、航天、機(jī)械等廣泛的領(lǐng)域和部門所接受。

在電子工業(yè)中，離子注入成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的一個(gè)重要手段。因此在當(dāng)代制造大規(guī)模集成電路中，可以說(shuō)是一種必不可少的手段。

離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速（對(duì)Si，電壓≥105 V），獲得很大動(dòng)能的雜質(zhì)離子即可以直接進(jìn)入半導(dǎo)體中；同時(shí)也會(huì)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進(jìn)行退火或激光退火來(lái)消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以內(nèi)的一定深度處。

離子注入的優(yōu)點(diǎn)是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來(lái)雜質(zhì)的再擴(kuò)散等），同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)（以減小電容效應(yīng)）。

在工藝流程中，光刻的下一道工序就是刻蝕或離子注入。在做離子注入時(shí)，有光刻膠保護(hù)的地方，離子束無(wú)法穿透光刻膠；在沒(méi)有光刻膠的地方離子束才能被注入到襯底中實(shí)現(xiàn)摻雜。因此，用于離子注入工藝的光刻膠必須要能有效地阻擋離子束 。

集成電路前道制程中有許多光刻層之后的工藝是離子注入（ion implantation），這些光刻層被稱為離子注入光刻層（implant layers）。離子注入完成后，晶圓表面的光刻膠必須被清除掉，清除離子注入后的光刻膠是光刻工藝中的一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)清除工藝的要求包括：

（1）干凈徹底地去除襯底上的光刻膠；

（2）盡量避免襯底損傷表面，特別是離子注入?yún)^(qū)域（即沒(méi)有光刻膠的區(qū)域）；

（3）盡量避免對(duì)器件（如柵極的金屬）造成傷害 。

離子注入技術(shù)發(fā)展歷程

離子注入首先是作為一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，它所取得的成功是其優(yōu)越性的最好例證。低溫?fù)诫s、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優(yōu)點(diǎn)，使得經(jīng)離子注入摻雜所制成的幾十種半導(dǎo)體器件和集成電路具有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、成品率高等特點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，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(shí)，離子束的直進(jìn)性保證注入的離子幾乎是垂直地向內(nèi)摻雜，橫向擴(kuò)散極其微小，這樣就有可能使電路的線條更加纖細(xì)，線條間距進(jìn)一步縮短，從而大大提高集成度。此外,離子注入技術(shù)的高精度和高均勻性,可以大幅度提高集成電路的成品率。隨著工藝上和理論上的日益完善，離子注入已經(jīng)成為半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。在制造半導(dǎo)體器件和集成電路的生產(chǎn)線上，已經(jīng)廣泛地配備了離子注入機(jī)。

70年代以后，離子注入在金屬表面改性方面的應(yīng)用迅速發(fā)展。在耐磨性的研究方面已取得顯著成績(jī)，并得到初步的應(yīng)用，在耐腐蝕性(包括高溫氧化和水腐蝕)的研究方面也已取得重要的進(jìn)展。

注入金屬表面的摻雜原子本身和在注入過(guò)程中產(chǎn)生的點(diǎn)陣缺陷，都對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起“釘扎”作用，從而使金屬表面得到強(qiáng)化，提高了表面硬度。其次，適當(dāng)選擇摻雜元素，可以使注入層本身起著一種固體潤(rùn)滑劑的作用,使摩擦系數(shù)顯著降低。例如用錫離子注入En352軸承鋼，可以使摩擦系數(shù)減小一半。尤其重要的是，盡管注入層極薄，但是有效的耐磨損深度卻要比注入層深度大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果業(yè)已證明，摻雜原子在磨損過(guò)程中不斷向基體內(nèi)部推移,相當(dāng)于注入層逐步內(nèi)移,因此可以相當(dāng)持久地保持注入層的耐磨性。

離子注入技術(shù)性能

離子注入后形成的表面合金，其耐腐蝕性相當(dāng)于相應(yīng)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(tài)或亞穩(wěn)態(tài)表面合金，而且離子注入和離子束分析技術(shù)相結(jié)合，作為一種重要的研究手段，有助于表面合金化及其機(jī)制的研究。

離子注入作為金屬材料改性的技術(shù)，還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即注入雜質(zhì)的深度分布接近于高斯分布，注入層和基體之間沒(méi)有明顯的界限，結(jié)合是極其緊密的。又因?yàn)樽⑷雽訕O薄，可以使被處理的樣品或工件的基體的物理化學(xué)性能保持不變,外形尺寸不發(fā)生宏觀的變化,適宜于作為一種最后的表面處理工藝。

離子注入由于化學(xué)上純凈、工藝上精確可控，因此作為一種獨(dú)特的研究手段，還被廣泛應(yīng)用于改變光學(xué)材料的折射率、提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，表面催化、改變磁性材料的磁化強(qiáng)度和提高磁泡的運(yùn)動(dòng)速度和模擬中子輻照損傷等等領(lǐng)域。2100433B