離子注入MEVVA源

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

在國家863計(jì)劃的大力支持下，經(jīng)過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M EVVA源的研制，主要性能達(dá)到國際先進(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，并已通過國家部委級技術(shù)鑒定，成果屬國際先進(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前景已被越來越多的部門和單位所賞識(shí)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)多年來的研究與開發(fā)，同時(shí)借鑒國際上的新進(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。

國內(nèi)外發(fā)展概況美國的I SM Tech.公司是國際上生產(chǎn)M EVVA源離子注入機(jī)的專業(yè)公司，在綜合技術(shù)水平上處于國際領(lǐng)先。上世紀(jì)90年代以來先后研制生產(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，如美國的S PIRE公司和ISM Tech.公司、英國的A EA Industrial Tech.，Tec Vac和Tech-Ni-Plant、法國的N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國的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。

高能離子注入的優(yōu)勢

多樣性：原則上任何元素都可以作為注入離子；形成的結(jié)構(gòu)可不受熱力學(xué)參數(shù)（擴(kuò)散、溶解度等）限制；

不改變：不改變工件的原有尺寸和粗糙度等；適合于各類精密零件生產(chǎn)的最后一道工序；

牢固性：注入離子直接和材料表面原子或分子結(jié)合，形成改性層，改性層和基底材料沒有清晰的界面，結(jié)合牢靠，不存在脫落的現(xiàn)象；

不受限：注入過程在材料溫度低于零下、高到幾百上千度都可以進(jìn)行；可對那些普通方法不能處理的材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，如塑料、回火溫度低的鋼材等；

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（可防止原來雜質(zhì)的再擴(kuò)散等），同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自對準(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，離子束無法穿透光刻膠；在沒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（即沒有光刻膠的區(qū)域）；

（3）盡量避免對器件（如柵極的金屬）造成傷害 。

離子注入技術(shù)又是近30年來在國際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。 此項(xiàng)技術(shù)由于其獨(dú)特而突出的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究對離子注入機(jī)提出了一些新的要求。半導(dǎo)體材料的離子注入所需的劑量（即單位面積上打進(jìn)去了多少離子，單位是：離子/平方厘米）比較低，而所要求的純度很高。非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高（比半導(dǎo)體材料離子注入高1000倍以上），而純度不要求像半導(dǎo)體那么高。

在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導(dǎo)體離子注入機(jī)所產(chǎn)生的氮離子束來進(jìn)行。這主要是因?yàn)榈葰怏w離子在適用于半導(dǎo)體離子注入的設(shè)備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應(yīng)用中取得了引人注目的成功。因此這個(gè)階段被稱為氮離子注入階段。

金屬離子注入是新一代的材料表面處理高技術(shù)。它利用具有很高能量的某種金屬元素的離子束打入固體材料所引起的一系列物理的與化學(xué)的變化，來改善固體材料的某些表面性能。研究結(jié)果表明，金屬離子注入在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究與應(yīng)用中效果更加顯著，應(yīng)用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無法實(shí)現(xiàn)的，金屬離子注入可以很好地實(shí)現(xiàn)。但是，基于半導(dǎo)體離子注入需要的傳統(tǒng)離子注入機(jī)，要想獲得比較強(qiáng)束流的金屬離子束是比較困難的，進(jìn)行非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性所需的費(fèi)用也是比較昂貴的。2100433B

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)。對于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來說，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，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程中產(chǎn)生的點(diǎn)陣缺陷，都對位錯(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)量級以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果業(yè)已證明，摻雜原子在磨損過程中不斷向基體內(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