离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，大约在10-11s内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域（如图1所示）。这所谓碰撞级联虽然不能完全理解为一个热过程，但经常看成是一个热能很集中的峰。一个带有100keV能量的离子通常在其能量耗尽并停留之前，可进入到数百到数千原子层。当材料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位置，而留下一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在表面下建立了富集注入元素并具有损伤的表层。离子和损伤的分布大体为高斯分布。

　　整个阻止过程的时间仅用10-11s，位移原子的停留也是在相近时间内完成的，所以全过程很像发生在长约0.1μm和直径为0.02μm 的圆柱材料总的快速加热与淬火。离子注入处理的这种快速加热－淬火与新原子注入材料中相结合，其结果可产生一些独特的性能。

　　离子注入的深度是离子能量和质量以及基体原子质量的函数。能量愈高，注入愈深。一般情况下，离子越轻活基体原子越轻，注入越深。

　　一旦到达表面，离子本身就被中和，并成为材料的整体部分，所以注入层不会像常规那样有可能脱落或剥离。注入的离子能够与固体原子，或者彼此之间，甚至与真空室内的残余气体化合生成常规合金或化合物。

　　由于注入时高能离子束提供反应后的驱动力，故有可能在注入材料中形成常规热力学方式不能获得的亚稳态或“非平衡态”化合物这就可能使一种元素的添加量远远超过正常热溶解的数量。

　　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，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。

　　离子注入技术是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一种离子束技术。材料经离子注入后，其表面的物理、化学及机械性能会发生显着的变化。

　　（1）离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。

　　（2）注入层与基体之间没有界面，系冶金结合，改性层和基体之间结合强度高、附着性好。

　　（3）高能离子的强行射入工件表面，导致大量间隙原子、空位和位错产生，故使表面强化，疲劳寿命提高。

　　（4）离子注入是在高真空和较低的工艺温度下进行，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的表面处理。

　　（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。

　　1、离子注入应用于金属材料改性

　　离子注入应用于金属材料改性，是在经过热处理或表面镀膜工艺的金属材料上，注入一定剂量和能量的离子到金属材料表面，改变材料表层的化学成份、物理结构和相态，从而改变材料的力学性能、化学性能和物理性能。具体地说，离子注入能改变材料的声学、光学和超导性能，提高材料的工作硬度、耐磨损性、抗腐蚀性和抗氧化性，最终延长材料工作寿命。

　　2、离子注入机应用于掺杂工艺

　　在半导体工艺技术中，离子注入具有高精度的剂量均匀性和重复性，可以获得理想的掺杂浓度和集成度，使电路的集成、速度、成品率和寿命大为提高，成本及功耗降低。这一点不同于化学气相淀积，化学气相淀积要想获得理想的参数，如膜厚和密度，需要调整设备设定参数，如温度和气流速率，是一个复杂过程。上个世纪70年代要处理简单一个的ｎ型金属氧化物半导体可能只需6～8次注入，而现代嵌入记忆功能的CMOS集成电路可能需要注入达35次。

　　技术应用需要剂量和能量跨越几个等级，多数注入情况为：每个盒子的边界接近，个别工艺因设计差异有所变化。随着能量降低，离子剂量通常也会下降。具备经济产出的离子注入剂量是1016/cm2，相当于20个原子层。

　　3、在SOI技术中的应用

　　由于SOI技术（Silicon-on-Insulation）在亚微米ULSI低压低功耗电路和抗辐照电路等方面日益成熟的应用，人们对SOI制备技术进行了广泛探索。

　　1966年Watanabe和Tooi首先报道通过O＋注入形成SILF表面的Si氧化物来进行器件间的绝缘隔离的可能性。1978年，NTT报道用这项技术研制出高速、低功耗的CMOS链振荡电路后，这种注O＋技术成为众人注目的新技术。从而注氧隔离技术即SIMOX就成了众多SOI制备技术中最有前途的大规模集成电路生产技术。1983年ＮＴＴ成功运用了SIMOX技术大批生产了COMSBSH集成电路；1986年ＮＴＴ还研制了抗辐射器件。这一切，使得NTT联合EATON公司共同开发了强流氧离子注入机（束流达100mA），之后EATON公司生产了一系列NV－200超强流氧离子注入机，后来Ibis公司也研制了Ibis－1000超强流氧离子注入。从此SIMOX技术进入了大规模生产年代。到了上世纪90年代后期，人们在对SIMOX材料的广泛应用进行研究的同时，也发现了注氧形成的SOI材料存在一些难以克服的缺点，如硅岛、缺陷，顶部硅层和氧化层的厚度不均匀等，从而导致了人们开始着眼于注氢和硅片键合技术相结合的智能剥离技术即SMART CUT技术的研制，上世纪90年代末期，H＋离子注入成了新的热门话题。目前虽无专门的H＋离子注入机，但随着SMART CUT工艺日趋成熟，不久将会出现专门的H＋离子注入机。

　　除了半导体生产行业外，在工控自动化的快速发展下，离子注入技术也广泛应用于金属、陶瓷、玻璃、复合物、聚合物、矿物以及植物种子改良上。

　　等离子注入技术尽管克服了传统离子注入技术的直射性问题，但离子注入工艺方法所固有的注入层浅的问题始终存在，这电限制了它在工业中的厂泛使用。因此，欲获得较厚的改性层，等离子体基离子注入技术必须与其他镀膜技术如PVD、CVD方法相结合，即复合的注入与沉积技术。复合镀膜技术是目前国内外的重要发展趋势，不少锂电池生产商都在关注。这种复合镀膜技术既可在同一个真空腔体内进行，也可以在不同真空系统中进行；注入与沉积既可同时进行也可以顺序进行。

　　另外，为了实现等离子注入工艺进一步实用化，注入设备需不断改进，以适应不同用途的等离子注入工艺的需求，并且朝着多元化、大电流、高电压、高温、大体积和多功能的方向发展。

　　（1）形成低泄漏浅结；

　　（2）以低成本使用MeV注入替代外延，利用低能硼离子束注入技术获得高质量浅ｐ型结进行注入的分子动态研究。

　　获得高质量的浅ｐ型结的技术由Kyoto大学离子束工程实验室完成。采用硼化氢的簇离子注入技术形成浅结。小的硼束流和单体注入进行分子动态模拟。在阶段，通过B10簇形成损害可望避免附加B原子瞬态提高扩散，获得高质量浅ｐ型结。

更多精彩词条，请登入维库电子通