等离子注入
等离子体基离子注入法制备SOI材料
是目前制备绝缘体上 的硅 ( SO I) 材料 的最重 要的两种 方法 。 而 离子注入是其中最主要工艺过程 。 本文简述了等离子体基离子 注入 ( P BII ) 在制备 SO I 的 两种方法 中应用的国 内外研究 现状 。 讨论了两种 方法中需要考虑 的共性 问题 , 包括注 入剂量 的均匀 性、 等离子体中离子的 选择 、 单 一能量 的获 得以及 避免 C 、 N、 O 及金属粒子的污染等 。 并且针对 SIM OX 和 smart cut 各自的工 艺特点 , 分别讨论了不同工艺参数的选择 、 工艺中出现的主要问 题和一些已经得到的解决办法 。 关键词 : SOI 材料 ; PBII ; SIM OX; Smart Cut 中图分类号 : T N 304. 05 文献标识码 : A
文章编号 : 1001 9731( 2002) 04 0347 03
等离子体基离子注入法制备 SOI 料
于伟东, 王
摘 要:
曦, 陈
静, 张
苗
( 中国科学院上海 冶金研究所 离子束开放研究实验室 , 上海 200050) 注氧隔离 法 ( SI M OX) 和 体硅 智能剥 离法 ( smart cut ) 公司的专利 技术。它 具有 SIM OX 和 BESOI ( 晶片 键合 和背 面 减薄 ) 技术的优点。离子注入保证了顶层硅厚度的均匀性 ; 热生 长氧化和晶片键合可 以获得任意厚度的高质量和均匀性好的绝 缘埋层。较大剂量的氢离子 ( 2 ! 1016 ~ 10 ! 10 16/ cm 2 ) 的注 入是 形成微裂纹层 , 从而实现智能剥离的关键。
1
引
言
等离子体基离子注入 ( PBII ) 是 一门新 兴的 技术 , 具有 设备 简单 , 高 的效率 , 操作安全 方便的特点 , 已经 在机械工 业生产中 得到了实际应用。在电子工业领域 , PBI I 技术的 应用目 前还处 于实验研究 阶段 , 一 些重 要的 实际 应用 障碍 还没 有完 全解 决。 PBI I 主要的应用 研究方 向有 : 集成 电路 中的 浅结 制作 [ 1] 、 绝缘 体上的 硅 材 料 制 备 [ 2~
等离子体在核聚变中的作用和控制
等离子体在核聚变中的作用和控制在当今能源形势严峻的背景下，核聚变技术备受关注。
而在核聚变的过程中，等离子体的作用和控制显得尤为重要。
本文将讨论等离子体在核聚变中的作用以及控制方法。
1.等离子体的作用等离子体是一种由高能量电子和正离子组成的高度激活的气体。
在核聚变过程中，等离子体的作用类似于“燃料”，它承载着核聚变反应所需的能量和粒子。
首先，等离子体通过离子和离子之间的相互作用，实现了高温高密度。
核聚变反应需要极高的温度来克服相互作用力的斥力，而等离子体能够提供这种高温环境。
同时，等离子体高密度的作用可以增加粒子之间的相互碰撞概率，从而促进核聚变反应的发生。
其次，等离子体的带电性质使其对电磁场具有很强的响应能力。
通过施加适当的电磁场，可以控制等离子体运动的方向和速度，从而实现粒子束的聚焦和定向。
这对于控制核聚变反应的发生和维持至关重要。
最后，等离子体还承担着实时能量传输和热量分散的任务。
核聚变产生的高能粒子会被等离子体均匀地分散，从而避免过热和损坏反应设备。
等离子体的传输性质还可以将能量从聚变中心传输到周围区域。
2.等离子体的控制方法正如上文所提到的，等离子体在核聚变中的控制至关重要。
以下介绍几种常见的等离子体控制方法。
首先，磁约束是一种常用的等离子体控制手段。
通过在等离子体周围施加适当的磁场，可以实现等离子体的稳定聚束。
常见的磁约束设备包括托卡马克和球形托卡马克。
这种方法可以有效地控制等离子体的位置和形状，使其保持稳定和可控。
其次，电流驱动也是一种常用的等离子体控制方法。
通过在等离子体内部施加适量的电流，可以实现等离子体的稳定和热平衡。
这种方法在类似磁约束的控制下，能够更好地控制等离子体的运动和温度分布。
另外，射频加热是一种常见的等离子体控制方式。
通过向等离子体加入射频电磁波能量，可以将等离子体加热至所需的温度。
这种方法可以改善等离子体的能量传输和碰撞概率，从而提高反应效率。
此外，等离子体的粒子注入也是一种重要的控制方式。
等离子基低能离子注入
Ž.Surface and Coatings Technology1312000317᎐325Plasma-based low-energy ion implantation forlow-temperature surface engineeringM.K.Lei a,U,Z.L.Zhang a,T.C.Ma ba Surface Engineering Laboratory,Department of Materials Engineering and State Key Laboratory for Materials Modification by Laser,Ionand Electron Beams,Dalian Uni¨ersity of Technology,Dalian116024,PR Chinab State Key Laboratory for Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian Uni¨ersity of Technology,Dalian116024,PR ChinaAbstractThis paper summarizes the plasma-based low-energy ion implantation technique,including plasma source ion nitriding r carburizing and plasma source low-energy ion enhanced deposition of thinfilms,developed from a combination of two techniques based on conventional plasma-based ion implantation and low-energy ion beam implantation for improvement in wearŽ.resistance and corrosion resistance for metals and alloys.An electron cyclotron resonance ECR microwave plasma source is used to produce the plasma with the high plasma density,electron temperature and ionization degree.The ions are accelerated from the plasma by a low pulsed negative bias of y0.4᎐y3kV,which is similar to the cathode potential of conventional plasma thermo-chemical diffusion processing.The low process temperature is in the range from150ЊC to500ЊC,which corresponds to the upper limit of conventional ion beam implantation and to the lower limit of plasma thermo-chemical diffusion processing, respectively.Low-energy ion implantation and simultaneous indiffusion is the main mass transfer mechanism,and direct thermo-chemical diffusion absorption is an additional mass transfer mechanism for formation of the nitrided r carburized layer and thinfilm.It has been proved that plasma-based low-energy ion implantation technique has the potential for applications in industry for surface modification of metals and alloys.ᮊ2000Elsevier Science B.V.All rights reserved.Keywords:Plasma-based low-energy ion implantation;Plasma source ion nitriding;Plasma source ion carburizing;Plasma source low-energy ion enhanced deposition;Surface modification;Thinfilm;Metal and alloy1.IntroductionŽ.Plasma source ion implantation PSII was originallyw xdeveloped and demonstrated in19861.Subsequently,Ž.plasma immersion ion implantation PIII,as an alter-w x native system to PSII,was reported in19882. Plasma-based ion implantation,including PSII and PIII, has been shown to be very effective in improving the wear and corrosion resistance for metals and alloys w x1᎐4.PIII was also performed at the elevated tempera-U Corresponding author.Ž.E-mail address:mklei@ M.K.Lei.ture due to significant heating caused by the ion im-plantation,resulting in diffusion of the implanted species well beyond the implantation range,so increas-ing the thickness of modified layers.In the pioneering PSII and PIII experiments,a high ion energy from20 to100keV was used,because the pulsed negative bias to accelerate ions from plasma was of y20᎐y100kV, which is consistent with that of conventional ion beam w ximplantation5,6.Between1992and1994,low-energy ion beam implantation that combines the features of plasma thermo-chemical diffusion processing and con-ventional ion beam implantation was developed using aw xlow ion energy of approximately1keV7,8.This can be made to produce the microstructure and the wear0257-8972r00r$-see front matterᮊ2000Elsevier Science B.V.All rights reserved.Ž.PII:S0257-89720000799-4()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325 318and corrosion resistance for metals and alloys that are similar to the results from conventional ion beam im-plantation,i.e.high-energy ion implantation.Since1992,at the Surface Engineering Laboratory of Department of Materials Engineering and State Key Laboratory for Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian University of Technology, we have developed the plasma-based low-energy ion implantation technique based on an electron cyclotron Ž.resonance ECR microwave plasma source and a lowŽ.pulsed bias,instead of the direct current DC or radio Ž.frequency RF plasma and the high pulsed bias ofw x conventional plasma-based ion implantation9᎐11. Therefore,plasma-based low-energy ion implantation has both features of conventional plasma-based ion implantation and low-energy ion beam implantation. This technique includes two kinds of surface modifica-tion processes:plasma source ion nitriding r carburizing and plasma source low-energy ion enhanced deposition of thinfilms.In the two processes,the low ion energy is used in the range from0.4to3kV,which is similar to the cathode potential of plasma thermo-chemical dif-fusion processing.The process temperature is 150᎐500ЊC,which corresponds to the upper limit of conventional ion beam implantation and to the lower limit of thermo-chemical diffusion processing,respec-tively.A lot of experimental results have shown that the two processes have the specific advantages over plasma-based ion implantation and plasma thermo-w xchemical diffusion processing9᎐19.This paper aims to review the plasma-based low-en-ergy ion implantation technique for low-temperature surface engineering in order to improve the wear and corrosion resistance for metals and alloys.We describe the apparatus and operating principle of plasma source ion nitriding r carburizing and plasma source low-en-ergy ion enhanced deposition.And then the summaries for their process characteristics are given in detail based on the experimental results.Finally,we point out the potential for the applications of this technique in industry.2.Plasma source ion nitriding r carburizing2.1.ApparatusFig.1shows the schematic diagram of the ECRw x microwave plasma source ion nitriding apparatus9. The complete apparatus consists offive units:mi-crowave power and transmission line,ECR microwave plasma source,process chamber,low pulsed negative bias power,and vacuum pump package.Plasma parameters of the ECR microwave plasma stream were measured by a single Langmuir probe and optical emis-Ž.sion spectrometry OES.The sample-holder waselec-Fig.1.A schematic diagram of the ECR microwave plasma source ion nitriding apparatus.()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325319trically isolated from the process chamber,and was supplied with a low pulsed negative bias of y0.4to y3 kV.The pulse repetition rate and pulse length of negative bias were independently and continuously variable.An auxiliary heater was contained in the sample-holder to regulate the process temperature from 150ЊC to450ЊC.The sample temperature was always measured during the process by a thermocouple. Fig.2shows the nitrogen plasma density measured in plasma source ion nitriding.A high nitrogen plasma density of approximately5=1011᎐8=1011cm y3was obtained,and the corresponding electron temperature was approximately7᎐pared with DC and RFw x w x plasmas used,respectively,in PSII3and PIII4,the ECR microwave plasma possesses the high plasma den-sity,electron temperature,and ionization degree.The ion N q and active molecular N U were the main species 22in the ECR microwave plasma according to the wave-length and intensity of the spectral lines in OES,as shown in Fig.3.Plasma source ion carburizing has a similar appara-tus structure to that of plasma source ion nitriding.The only difference is the plasma composition because a mixture of methane and hydrogen was used.The typi-cal operation parameters for plasma source ion nitrid-ing r carburizing into pure iron and steel are listed in Table1.2.2.Mass transfer mechanismThe ECR microwave plasma streamed and diffused from the ECR microwave plasma source into the process chamber,and immersed the samples on the sample-holder with a sheath,which was a self-bias sheath due to presence of a self-bias ofapproximately Fig. 2.The ECR microwave nitrogen plasma density for plasma source ion nitriding measured by a Langmuir probe.w x10V on the samples12.The thickness of the self-bias sheath was also of the order of the magnitude of the Debye length,approximately10y2mm in the process. Applying a negative bias pulse of y0.4᎐y3kV to the samples formed an ion matrix sheath from the self-bias sheath,then started to extend,finally developing into thefinal sheath,i.e.the sheath of plasma source ion nitriding r carburizing.The thickness of the sheaths, less than approximately1mm for either the ion matrix sheath or thefinal sheath,was estimated bycalculation Fig.3.The OES of the ECR microwave nitrogen plasma for plasma source ion nitriding.()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology 1312000317᎐325320Table 1Typical ECR microwave plasma source ion nitriding r carburizing parameters Microwave power150᎐600WNitriding r carburizing precursor N r 20%CH q 80%H 242Plasma density 1112y 3N 5=10᎐1.5=10cm 21111y 320%CH q 80%H 2=10᎐8=10cm 42Electron temperature N 7᎐10eV 220%CH q 80%H 7᎐9eV42y 3Base pressure1.5=10Pay 2Ž.Ž.Nitriding r carburizing pressure 5᎐10r 1᎐2=10Pa Pulsed negative bias Voltagey 0.4᎐y 3kV Repetition rate 100᎐1000Hz Length50᎐500sy 2Ž.Ž.Nitriding r carburizing ion current density 0.4᎐1.2r 1᎐2mA cm Nitriding r carburizing process temperature 150᎐450ЊC r 350᎐500ЊC Nitriding r carburizing time2᎐8husing the plasma parameters in Table 1.This means that the extent of the three sheaths is limited during the process.Fig.4shows the schematic representation of the model of the mass transfer mechanism,taking plasma source ion nitriding as an example.The ions in the evolving sheaths were implanted into the samples dur-ing the negative pulse bias.Considering the ion implan-tation process as independent of process temperature,the implantation depth and dose can be approximately Ž.calculated using transport of ions in matter TRIM .The implantation depth for N qwith an ion energy of 22kV was approximately 2.5nm.The implantation doseq Žy 2.for N ,D ions cm ,was given by 2imp Ž.D s N r e j d s 2it r e1H imp s where e is the charge on the electron,j is the current s density,is the pulse length,N is the number of pulses,t is the total process time,and i is the average ion current density during the nitriding.In plasma source ion nitriding,i was in the range of 0.4᎐1.2mA cm y 2,giving a high implantation doseof approximately 1019᎐1020ions cm y 2during a nitriding time of 4h.Because of presence of a temperature field in the sample caused by both the auxiliary heater and ion bombardment,significant thermal diffusion of the im-planted nitrogen took place from the surface.The nitrogen concentration distribution on the surface mainly depends on D and the process temperature.imp The D has a dynamic equilibrium relationship with imp the thermal diffusion flux,J ,and the nitrogen concen-tration on the surface,C ,as follows:N Ž.D s J q C 2imp NŽ.When Eq.2attained the steady-state condition,agradient distribution of nitrogen concentration with apeak concentration,C ,was established on the surface.N It can be considered that the dimension of presence of C was in the range of implantation,i.e.in the im-N planted layer.For a certain D ,J and C were imp N affected by the process temperature and the composi-tion and structure of the matrix of the sample.After the end of a negative bias pulse,the nitrogen absorption by low-energy ion implantation finished onFig.4.A schematic representation of the model of the mass transfer mechanism for plasma source ion nitriding.()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325321the surface.Alternatively,in between the negative biaspulses,another nitrogen absorption by thermo-chem-ical diffusion occurred into the samples immersed in the ECR microwave plasma.In order to understand the effect of the direct thermo-chemical diffusion on the mass transfer mechanism,a simulative experiment was performed.This is a plasma carburizing process under the same process condition as that of plasma source ion carburizing in between the negative bias pulses,as shown in Table1,because of the same mass transfer mechanism between plasma source ion nitrid-w xing r carburizing11.Fig.5a,b shows the carbon concentration profile on the surfaces of plasma carburized and plasma source ion carburized pure iron,respectively,using a mixedgas precursor of20%CH and80%H at a process42 temperature of350ЊC during a carburizing time of8h.A thin carburized layer was formed on the surface to a depth of approximately200nm with a maximum car-bon concentration of5at.%by plasma carburizing. Plasma source ion carburizing yielded a high carbon concentration layer approximately10m thick with a peak carbon concentration of approximately25at.%. In plasma source ion nitriding r carburizing,therefore, low-energy ion implantation plays a decisive role in the absorption of nitrogen r carbon.The low-energy ion implantation and simultaneous indiffusion is the main mass transfer mechanism in the process.Direct thermo-chemical diffusion absorption has an additional mass transfer effect,and can improve the environment for low-energy ion implantation during the next bias pulse and prevent the recombination of implanted ni-trogen r carbon on the surface.Plasma-based low-energy ion implantation has a main mass transfer mechanism,low-energy ion implantation and simultaneously indiffusion,and an additional mass transfer mechanism,direct thermo-chemical diffusion absorption.2.3.Process characteristics2.3.1.Nitriding r carburizing efficiency at low temperature The lower limit of process temperature for conven-w x tional plasma nitriding is approximately350ЊC20,21. The enhanced plasma nitriding r carburizing processes can be performed at a low temperature of approxi-w xmately300ЊC22,23.Plasma source ion nitriding into pure iron formed a continuous nitride layer approxi-w x mately 1.5m thick at150ЊC during2h12.A 10-m-thick carburized layer composing a Fe C phase3on the outer surface and a hardened diffusion zone was obtained on plasma source ion carburized pure ironw x and35CrMo low alloy steel at350ЊC for8h11. Plasma source ion nitriding r carburizing was carried out at a low process temperature.As a result,thelower Fig.5.The carbon concentration profile on the surfaces of nitrided Ž.Ž.pure iron by:a plasma carburizing;and b plasma source ioncarburizing using a mixed gas of20%CH and80%H at a process42 temperature of350ЊC.limit of the nitriding process temperature is further reduced down to approximately200ЊC.PIII into0.3wt.%mild steel with an implantation dose of7=1017ions cm y2at340ЊC produced a nitro-w x gen modified layer approximately1m thick4.At 400ЊC,a4.5-m-thick nitrogen ion implantation layer was obtained during125min on the low-energy ionw xbeam implanted AISI304stainless steel8.PlasmaŽ. source ion nitriding into1Cr18Ni9Ti18-8type stain-Ž.less steel formed a high nitrogen f.c.c.phase␥layerN6᎐12m thick with a high hardness of approximatelyw xHV2000at380ЊC during4h9,19.In plasma source ion nitriding r carburizing the ECR microwave plasma, which has the high plasma density,electron tempera-ture,and ionization degree,ensures a higher implanta-w xtion dose by1᎐2orders than that of PIII2,4andw xlow-energy ion beam implantation8,despite PIII and low-energy ion beam implantation has a similar mass transfer mechanism to that of plasma source ion nitrid-ing r carburizing.The high nitrogen r carbon concentra-tion on the nitrided r carburized surfaces accelerates diffusion of the implanted nitrogen r carbon species in-ward and prevents them outward to recombination. 2.3.2.Potential applicationsCompared with PSII and PIII,plasma source ion()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325322Table2Typical ECR microwave plasma source low-energy ion enhanced deposition parameters for TiNfilmsMicrowave power150᎐600W1112y3 Nitrogen plasma density5=10᎐1.5=10cm Nitrogen plasma electron temperature7᎐10eVy3Base pressure 1.5=10Pay1Ž.Working pressure 1.1᎐2.1=10Pay1Ž.Partial pressure of nitrogen0.1᎐0.3=10Pay1Ž.Partial pressure of argon 1.0᎐2.0=10Pa Magnetron sputtering targetVoltage300᎐600VCurrent0.15᎐0.80APulsed negative biasVoltage y0.4᎐y3kV Repetition rate100᎐1000HzLength50᎐500sProcess temperature-200ЊCDeposition time0.25᎐5hnitriding r carburizing has the sheaths of small extent, leading to not only improvement in uniform coverage for the samples with complex shape or small holes but also an increase in stability of the working mode.This process can independently control and measure the ionŽimplantation energy,implantation dose rate current .density and process temperature;the required process temperature is easily achieved during the process.Fur-thermore,no powerful powers demanded for low pulsed negative bias solved the problems from the second electron emission and X-ray radiation,thereby a cost-effective and work-efficient system can be attained. Plasma source ion nitriding r carburizing provides great experimentalflexibility,low unit cost,and technologi-cally simple apparatus design.This technique has a great potential for applications in industry.3.Plasma source low-energy ion enhanced deposition of thinfilms3.1.ApparatusFig.6shows the schematic diagram of the ECR microwave plasma source low-energy ion enhanced de-w xposition apparatus10.The apparatus consists of the samefive units as those in plasma source ionw xnitriding r carburizing9,11,plus a magnetron sputter-ing system.In order to prepare compoundfilms,the sputtering deposition and plasma source low-energy ion implantation phases were alternated during the process.A planar magnetron sputtering target placed under a rotated sample-holder was operated in pure argon at a pressure of0.1᎐1Pa and a supply voltage of300᎐600 V.The maximum transverse component of the mag-neticfield in the front of the sputtering target was 500᎐600G.The sample-holder was also contacted withthe same low pulsed negative bias as that in plasma source ion nitriding r carburizing.The sample tempera-ture was always measured during the process by a thermocouple.For the deposition of metal nitridefilms, the pure nitrogen was used to form the ECR mi-crowave nitrogen plasma.The typical operation parameters for plasma source low-energy ion enhanced deposition of TiNfilms are listed in Table2.3.2.Formation mechanism of thinfilmsIn plasma source low-energy ion enhanced deposi-tion of metal nitridefilms,such as TiN,AlN,Fe N etc.,xthe metalfilm was deposited on the surface of samples facing the sputtering target by magnetron sputtering. With the sample-holder continuously rotated,the sam-ples with the deposited metalfilm were immersed in the ECR microwave nitrogen plasma.In each cycle, plasma-based low-energy nitrogen ion implantation was performed into the fresh metalfilm to approximately2nm thick,and both direct and recoil effects of N q2 caused to penetrate the metalfilm,leading to a mixing of the metal and nitrogen atoms with the atoms of the matrix on the surface.The simultaneous indiffusion of implanted nitrogen also occurred during the process due to the presence of a temperaturefield,although the nitrogen diffusion was very difficult in the metal nitridefilms compared with that in plasma source ion nitrided r carburized layer.As the cycle was running, the metal nitridefilm grew continuously,and an in-termixed layer can form between thefilm and sample. When the depositedfilm was thicker than the range of ion implantation,low-energy ion implantation no longer had an effect on the intermixing but still affected the structure of thefilm.By means of controlling the()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325323Fig.6.A schematic diagram of the ECR microwave plasma source low-energy ion enhanced deposition apparatus.sputtering deposition rate from the magnetron target Ž.depending on its current and voltage and the ion implantation dose rate from the ECR microwave plasma Žon the repetition rate and length of the pulsed nega-.tive bias,a suitable arrival rate ratio of the ions to the metal atoms can be obtained to attain stoichiometry of the metal compoundfilms.3.3.Process characteristics3.3.1.Deposition rate of thinfilmsIn order to guarantee the wear and corrosion resis-tance of thinfilms,it is necessary to ensure their adhesion on the samples.A negative bias from several hundred volts up to approximately1᎐2kV on the samples is often used to increase the adhesive force of thinfilms in the different deposition processes,such asw xmagnetron sputtering ion plating24,vacuum arc de-w xposition25,etc.However,the deposition rate of thin films is lowered by the self-sputtering caused by the negative bias.In spite of a high deposition rate that can be obtained in plasma enhanced chemical vapor depo-sition of thinfilms,the higher process temperaturesw xalso limit its applications26.In plasma source low energy ion enhanced deposition,use of a low pulsed negative bias apparently inhibits the self-sputtering of thinfilms.The independent magnetron sputtering tar-get and ECR microwave plasma source can provide the fixed arrival rate ratio of the nitrogen ions to the metal atoms to maintain a high deposition rate of compound films,which is similar to that of the pure metalfilms in the process.3.3.2.Adhesi¨e force on samplesFig.7shows the depth profile of atomic concentra-tion for the TiNfilm deposited on the A3mild steel sample measured by Auger electron spectroscopy Ž.AES.An intermixing layer approximately40nm thick was observed on the A3mild steel sample,which is similar to that obtained by ion beam enhanced deposi-Ž.w x tion IBED with nitrogen ions of20᎐30keV27,28. The TiN thinfilm has a high adhesive force on the M2 high-speed steel samples.Superior adhesion of the metal nitridefilms is responsible for formation of the intermixed layer between thefilm and sample.The intermixing layer of the TiNfilms is also thicker than those of PSII with IBED,where the metal atoms were provided from the sputtering target and simultaneously PSII into the deposited metalfilm occurred on the surface of the samples because of a high pulsed nega-tive bias of20᎐30kV to form the metal nitridefilms w x29,30.We can speculate that the TiNfilms on the steels obtained by plasma source low-energy ion en-hanced deposition have a higher adhesive force than()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology 1312000317᎐325324Fig.7.AES depth profile of atomic concentration for the TiN film deposited on the A3mild steel.that of PSII with IBED,although no test data of adhesion were reported for the TiN films by PSII with IBED.3.3.3.Stoichiometry of thin filmsw x w x In IBED 31and PSII with IBED 30,the stoichio-metric metal nitride films can form when the arrival rate ratio of the nitrogen ions to the metal atoms was greater than unity.Plasma source low-energy ion en-hanced deposition provides a controlled environment for the deposition of metal compound films.Although the arrival rate ratio could not be accurately measured,the steady deposition conditions were still obtained by means of controlling the nitrogen ion implantation dose rate and the sputtering deposition rate of metal atoms.For the composition of the TiN film,as shown in Fig.7,a stoichiometric TiN film was observed,ne-glecting the effect of the contaminant carbon of 5at.%and oxygen of 8at.%.3.3.4.Potential applicationsPlasma source low-energy ion enhanced deposition of thin films offers great experimental flexibility be-cause it also enables independent control of the nitro-gen ion energy,nitrogen ion implantation dose rate,sputtering deposition rate of metal atoms,and process temperature.It has other distinct advantages over w x IBED 27,28and conventional plasma-based ion im-w x plantation 29,30,including low unit cost,as a result of eliminating a higher-or lower-energy ion source and powerful high voltage pulsed power,and a technologi-cally simple apparatus design,that could be easily scaled to large dimensions.Like the situation in plasma w x source ion nitriding r carburizing 9,11,plasma source low-energy ion enhanced deposition also has applica-tions in industry.4.ConclusionsPlasma-based low-energy ion implantation has been developed from a combination of two techniques based on conventional plasma-based ion implantation and low-energy ion beam implantation in order to decrease the ion implantation energy and eliminate the line-of-sight restrictions of ion implantation processes.This technique includes two kinds of processes for low-tem-perature surface engineering:plasma source ion nitrid-ing r carburizing and plasma source low-energy ion en-hanced deposition of thin films.An electron cyclotron Ž.resonance ECR microwave plasma source is used to produce the plasma with the high plasma density,elec-tron temperature and ionization degree.The ions are accelerated from the plasma by a low pulsed negative bias of y 0.4᎐y 3kV,which is similar to the cathode potential of conventional plasma thermo-chemical dif-fusion processing.The low process temperature is in the range from 150ЊC to 500ЊC,which corresponds to the upper limit of conventional ion beam implantation and to the lower limit of plasma thermo-chemical dif-fusion processing,respectively.Low-energy ion implan-tation and simultaneous indiffusion is the main mass transfer mechanism,and direct thermo-chemical diffu-sion absorption is an additional mass transfer mecha-nism for formation of the nitrided r carburized layer and thin film.It has been proved that plasma-based low-energy ion implantation technique has the poten-tial for applications in industry for surface modification of metals and alloys.AcknowledgementsWe acknowledge the technical assistant of D.Y.Wang,J.D.Chen,Y.Wang,G.L.Wu,S.Y.Chen,Y.H.Li,X.C.Zhang,L.J.Yuan,Y.W.Liu,and Z.P.Zhang in this research.This work is supported by the National Science Foundation of China under Grant Nos.58971074,59402009,and 59771060.Referencesw x Ž.1J.R.Conrad,J.Appl.Phys.621987777.w x 2J.Tendys,I.J.Donnelly,M.J.Kenny,J.T.A.Pollock,Appl.Ž.Phys.Lett.5319882143.w x 3J.R.Conrad,J.L.Radtke,R.A.Dodd,F.J.Worzala,N.C.Tran,Ž.J.Appl.Phys.6219874591.w x 4G.A.Collins,R.Hutchings,J.Tendys,Mater.Sci.Eng.A 139Ž.1991171.w x 5R.Leutenecker,G.Wang,T.Louis,U.Gonser,L.Guzman,A.Ž.Molinari,Mater.Sci.Eng.A 1151989229.w x 6 D.L.Williamson,L.Wang,R.Wei,P.J.Wilbur,Mater.Lett.9Ž.1990302.w x Ž.7 A.V.Byeli,S.K.Shikh,V.V.Kharko,Wear 1591992185.w x 8 D.L.Williamson,O.Ozturk,R.Wei,P.J.Wilbur,Surf.Coat.Ž.Technol.65199415.()M.K.Lei et al.r Surface and Coatings Technology1312000317᎐325325w xŽ.9M.K.Lei,Z.L.Zhang,J.Vac.Sci.Technol.A1319952986. w xŽ10M.K.Lei,D.Y.Wang,Z.L.Zhang,Vac.Sci.Technol.Zhen-.Ž.kong Kexue Yu Jishu Xuebao161996299.w xŽ.11M.K.Lei,Z.L.Zhang,J.Vac.Sci.Technol.A161998524. w xŽ.12M.K.Lei,Z.L.Zhang,Surf.Coat.Technol.91199725.w xŽ.13M.K.Lei,Z.L.Zhang,J.Vac.Sci.Technol.A151997421. w x14M.K.Lei,P.Wang,Y.Huang,Z.W.Yu,L.J.Yuan,Z.L.Zhang,Ž.Wear2091997301.w xŽ15M.K.Lei,Y.Huang,Y.H.Li,Z.L.Zhang,Tribology Mocaxue .Ž.Xuebao161997206.w xŽ.16M.K.Lei,Z.L.Zhang,J.Mater.Sci.Lett.1619971567.w xŽ. 17M.K.Lei,Y.Huang,Z.L.Zhang,J.Mater.Sci.Lett.171998 1165.w xŽ. 18M.K.Lei,X.M.Zhu,Z.L.Zhang,J.Mater.Sci.Lett.181999 1537.w xŽ.19M.K.Lei,J.Mater.Sci.3419995975.w xŽ. 20K.Ichii,K.Fujimara,T.Takase,Rep.Kansai.Univ.271986 135.w xŽ.21N.Yasumaru,K.Mamachi,J.Jpn.Inst.Metals501986362. w x22 A.Leyland,D.B.Lewis,P.R.Stevenson,A.Matthews,Surf.Ž.Coat.Technol.621993608.w x23T.Czerwiec,H.Michel,E.Bergmann,Surf.Coat.Technol.Ž.108r1091998182.w x24Y.K.Wang,X.Y.Li,X.L.Zhang,H.M.Han,Surf.Coat.Tech-Ž.nol.811996159.w xŽ.25 E.Kamijo,J.Jpn.Soc.Powder Powder Metall.441997721. w x26R.Tobe,A.Sekiguchi,M.Sasaki,O.Okada,N.Hosokawa,Ž.Thin Solid Films281r2821996155.w xŽ.27R.A.Kant,B.D.Sartwell,Mater.Sci.Eng.901987357.w x28K.Hayashi,K.Sugiyama,K.Fukutani,K.Kittaka,Mater.Sci.Ž.Eng.A1151989349.w x29J.R.Conrad,R.A.Dodd,S.Han,M.Madapura,J.Scheuer,K.Ž.Sridharan,F.J.Worzala,J.Vac.Sci.Technol.A819903146. w x30S.M.Malik,R.P.Fetherston,J.R.Conrad,J.Vac.Sci.Technol.Ž.A1519972875.w xŽ.31I.-H.Kim,S.-H.Kim,J.Vac.Sci.Technol.A1319952184.。
爆炸喷涂,等离子喷涂,超音速火焰喷涂,微弧氧化,离子镀铝和离子注入等技术应用现状及使用对象范围
爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、微弧氧化、离子镀铝、离子注入等技术应用现状及适用对象范围1爆炸喷涂爆炸喷涂技术的实质是利用脉冲式气体爆炸的能量将被喷涂的粉末材料加热加速轰击到工作表面后形成坚固涂层。
喷涂时，先将一定比例的氧气和C2H2由供气口送入水冷喷枪的燃爆室，然后由送粉气将喷涂粉末送入燃爆室，经火花塞点火，氧气和C2H2混合气发生爆炸式燃烧，其热能加热喷涂粉末到一定状态，而爆炸冲击波则把喷涂粉末粒子高速喷向工件表面形成涂层。
随后向燃爆室内送入清扫气，为下次爆喷准备，如此循环反复进行。
爆炸喷涂所使用的粉末材料可以是：单一金属、合金、单一氧化物和混合氧化物、硬质合金、碳化物和碳化钨基体的金属陶瓷以及各种复合材料等。
主要用于在形状简单的金属/合金工件表面制备涂层。
爆炸喷涂的优点：（1）与其他喷涂方法相比，爆炸喷涂涂层的结合强度较高，喷涂陶瓷粉末时，涂层结合强度可达70MPa，喷涂金属陶瓷粉末时涂层结合强度可达175MPa；（2）涂层相对致密，孔隙率一般小于1%；（3）涂层耐磨性较好，由于喷涂时粉末颗粒撞击到工件表面后急冷，能够在涂层中形成超细组织；（4）涂层硬度比使用其他喷涂方式获得的涂层硬度更高；（5）对工件的热损伤小；（6）喷涂碳化物或碳化物基粉末材料时不会发生分解、脱碳现象。
爆炸喷涂的缺点：（1）效率低。
爆炸频率较低，不超过10次/s，而每次喷涂的涂层厚度仅4~6um，面积仅φ25mm；（2）爆炸喷涂时噪音强烈，达到或超过150dB；（3）喷涂时会产生极细的尘粒，需专用的防尘室等措施；（4）对形状复杂的工件表面、小内径内腔表面和长内腔表面无法喷涂爆炸喷涂的应用：爆炸喷涂由于其涂层结合强度高、硬度高、耐磨性好、以及工件的热影响小，故一出现就广泛应用到飞行器零部件的喷涂上，如高低压压气机叶片、涡轮叶片、火焰筒外壁上喷涂热障涂层，齿轮轴、衬套副翼、襟翼滑轨等部件的耐磨涂层等。
国外爆炸喷涂涂层已在50多种航空产品的零件上获得应用，仅JT3D发动机上采用爆炸喷涂涂层的部位就有10余处，零件达83件。
离子注入的方法
离子注入的方法
1. 离子束注入：这是最常见的离子注入方法之一。
在离子束注入过程中，离子源产生的离子经过加速后形成高能离子束，然后被注入到材料表面。
离子束注入可以通过调整离子能量、束流密度和注入时间等参数来控制注入深度和浓度。
2. 等离子体浸没离子注入：这种方法将材料放置在等离子体中，等离子体中的离子在电场作用下被加速并注入到材料表面。
等离子体浸没离子注入可以实现大面积的均匀注入，适用于薄膜和大面积材料的处理。
3. 射频离子注入：在射频离子注入中，离子源产生的离子通过射频电场的作用被加速并注入到材料中。
这种方法通常用于较低能量的离子注入，适用于特定的应用场合。
4. 多能量离子注入：多能量离子注入是指在离子注入过程中使用多个不同能量的离子束，以实现不同深度的注入。
这种方法可以在材料中形成多层注入结构，改善材料的性能。
5. 共注入：共注入是将两种或以上的离子同时注入到材料中，以实现特定的性能改善。
共注入可以通过调整不同离子的能量和浓度来控制注入效果。
无论采用哪种离子注入方法，都需要根据具体的应用需求和材料特性来选择合适的离子源、加速电压、注入剂量等参数。
离子注入技术在半导体、材料科学、生物医学等领域有广泛的应用。
等离子体在半导体方面的应用
等离子体在半导体方面的应用主要体现在以下几个方面：
1.薄膜成长：在半导体制造中，等离子体技术可以用于生长高质量的半导体薄
膜。
常用的方法是通过等离子体化学气相沉积（PECVD）技术，将有机气体与惰性气体混合，在高频电场或高能离子的激发下，使气体形成等离子体状态，并在基底上沉积成膜。
2.刻蚀：等离子体刻蚀是利用等离子体中的活性粒子对薄膜进行物理和化学作
用，从而达到刻蚀的效果。
刻蚀可以用于形成微米级甚至纳米级的图案，对于半导体器件的制作至关重要。
3.清洗：等离子体清洗是通过高能离子对表面的物理轰击和化学反应，去除表
面的污垢和杂质，提高表面的清洁度和附着力。
这是制作高质量半导体器件的必要步骤。
4.等离子体注入：在半导体制造中，等离子体注入是用来引入杂质的一种重要
方法。
通过将杂质气体引入等离子体源，并利用电场加速这些带电粒子，将杂质注入到半导体材料中。
5.高能粒子束流控制：高能粒子束流控制是利用等离子体的特性，通过电磁场
对高能粒子束流进行控制，实现高精度和高效率的束流传输。
这在半导体制造中的离子注入和离子束加工等方面有重要应用。
总的来说，等离子体在半导体制造中扮演着重要角色，从薄膜生长到刻蚀、清洗和杂质注入等多个方面都有广泛的应用。
随着半导体技术的不断发展，等离子体的应用前景也将更加广阔。
金属材料表面等离子体处理技术
金属材料表面等离子体处理技术1. 概述等离子体处理技术是指利用等离子体的高能粒子和辐射对材料表面进行物理或化学处理的一种技术。
该技术可用于表面改性、通孔制造、纳米材料制备等方面，其应用领域涵盖了电子、光电、航空航天、生物医学等多个领域。
本文将从材料的表面改性方面探讨金属材料表面等离子体处理技术的应用和发展。
2. 等离子体处理技术的原理等离子体处理技术的原理是在气体中产生等离子体，将等离子体进行引导、束缚和控制，以实现对材料表面进行物理或化学处理的目的。
等离子体可以具有高温、高速、高电荷、强辐射等特性，可通过气体放电等多种方式产生。
在金属材料的表面处理中，工业上主要采用的是等离子体刻蚀、离子注入、等离子体喷涂等技术。
3. 等离子体刻蚀等离子体刻蚀是指利用等离子体的能量对材料表面进行物理切割的一种表面处理技术。
该技术可用于金属和半导体材料的表面刻蚀和蚀刻。
其原理是通过在气体中加入能量，使气体分解为离子、原子和自由基等等离子体，利用等离子体的高能粒子和对材料表面的辐射等作用，在金属材料表面形成凸起或坑洼，从而实现表面改性和光学花纹制作等目的。
4. 等离子体喷涂等离子体喷涂是指利用等离子体的高能粒子和对材料表面的辐射来改变涂层的性能和化学组成的一种表面处理技术。
该技术可用于改变涂层的颜色、硬度、光泽、防腐蚀性等性能，广泛应用于冶金、航空航天、电子等领域。
其原理是将金属或氧化物等材料转化为气态等离子体，然后将其喷射到材料表面上，通过控制气体压力、喷射速度、喷射角度、喷射距离等参数，控制其在不同方向上的喷射，以实现不同的表面改性效果。
5. 等离子体强化等离子体强化是指利用等离子体的高能粒子和对材料表面的辐射来强化材料表面的物理和化学性能的一种表面处理技术。
该技术可用于提高金属材料的硬度、强度、耐腐蚀性和耐磨性等性能，广泛应用于汽车、机械等领域。
其原理是通过在金属材料表面形成等离子体，使材料表面发生物理和化学反应，形成极薄的膜层，从而提高其表面硬度和强度。
等离子体论文1
《等离子体物理学》论文论文题目：离子注入的应用专业：核工程与核技术专业方向：光电探测科任教师：姓名：学号：200日期：2012年11月21日离子注入技术是参杂工艺中引入杂质的一种新方法。
它是继扩散工艺之后的一门新技术。
在扩散工艺的基础上有更为突出的优点，具有可观的发展前景，势必会有更为广泛的应用。
本次论文主要对象是离子注入技术的原理应用前景。
一.离子注入原理、离子注入机及工作特点：1.1离子注入原理：离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105 V），获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。
离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。
1.2离子束加工原理：离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。
因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。
1.3离子注入机：离子注入是在一种叫离子注入机的设备上进行的。
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。
1. 4.氮注入机，只能产生气体束流（几乎只出氮)：主要用于工具的注入。
其优点如下:a.操作维修简单。
(1)束流高。
等离子氮化处理
等离子氮化处理等离子氮化处理是一种常用的表面处理方法，通过在材料表面形成氮化物层，可以显著改变材料的表面性能和性质。
本文将介绍等离子氮化处理的原理、应用以及在工业领域的重要性。
一、等离子氮化处理的原理等离子氮化处理是利用等离子体在高温、低压条件下与材料表面发生反应的过程。
在等离子氮化处理中，等离子体通过高能粒子的撞击和离子注入，使材料表面发生氮化反应，从而形成氮化物层。
等离子氮化处理的原理可以简单地描述为以下几个步骤：1.制备等离子体：在真空室中加入适量的氮气和惰性气体（如氩气），通过高频电源产生高能电子，使气体分子电离并形成等离子体。
2.等离子体与材料表面反应：将待处理的材料放置在等离子体区域内，等离子体中的离子和活性粒子通过碰撞和注入的方式与材料表面发生反应。
3.氮化反应：等离子体中的氮离子和材料表面的金属元素结合，形成金属氮化物层。
4.冷却和固化：经过一定时间的氮化反应后，将材料冷却至室温，使氮化物层固化。
等离子氮化处理在材料科学和工程领域有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1.金属加工：等离子氮化处理可以增加金属材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
因此，在金属加工中，等离子氮化处理常用于刀具、模具和零件等的表面处理，以提高其使用寿命和性能。
2.汽车工业：等离子氮化处理可以提高发动机零件的耐磨性和耐高温性能，减少摩擦和磨损，延长零件的使用寿命。
因此，在汽车工业中，等离子氮化处理常用于发动机气缸套、曲轴和凸轮轴等零件的表面处理。
3.航空航天：等离子氮化处理可以提高航空航天材料的耐腐蚀性和耐高温性能，增强材料的强度和刚度。
因此，在航空航天领域，等离子氮化处理常用于航空发动机零件、航天器结构材料和涡轮叶片等的表面处理。
4.电子器件：等离子氮化处理可以改善电子器件的导电性能、热传导性能和耐腐蚀性能。
因此，在电子器件制造中，等离子氮化处理常用于半导体器件、集成电路和显示屏等的表面处理。
三、等离子氮化处理在工业领域的重要性等离子氮化处理作为一种表面处理方法，在工业领域具有重要的应用价值和意义。
离子注入工艺中等离子喷淋技术
离子注入工艺中等离子喷淋技术阐述等离子喷淋技术的工作原理，在离子注入工艺上的应用；分析等离子喷淋器对注入工艺中的电荷累积以及注入均匀性改善。
并提出在先进制程下对等离子喷淋技术的要求。
标签：离子注入；等离子喷淋；电荷累积；注入均匀性引言随着半导体技术的发展，晶圆尺寸不断增大，线宽不断变窄，对离子注入的要求越来越高，包括工艺的均匀性，重复性和生产效率。
一个较为典型的问题就是在晶圆注入的过程中，晶圆的表面出现电荷累积的现象。
当电荷累积到一定程度，对注入的多项参数都会产生严重的影响，均匀性，重复性下降，乃至注入的剂量都受到影响，绝缘层击穿的概率会上升，产品的良品率下降。
另外，随着半导体制造工艺跨过90nm，乃至65nm、45nm的技术节点，浅结和超浅结深的低能大束流注入工艺进入广泛应用，注入的能量低至200eV，剂量达到1015/cm2。
为了获得高的生产效率，要求注入的离子束流达到几十毫安。
但在这种低能量大束流的状态下，束流传输的空间电荷效应更加突出，大大降低离子束的传输效率，限制低能大束流注入工艺生产效率提高。
采用电中和技术是解决这些问题非常有效的方法，但是原有的电子喷淋技术由于依靠钨丝热电子加速后打到阳极靶上产生二次电子产生喷淋电子，存在中和程度控制困难，较高过中和负电荷积累电压，金属污染和热辐射大等缺点，已经不能适应新一代半导体工艺要求。
而等离子喷淋技术具有电荷中和程度自动调节，中和效率高，电子能量低，极低的金属污染等特点，成为离子注入工艺控制晶圆电荷积累的标准。
同时，将等离子喷淋技术应用到浅结、超浅结的注入工艺，对低能大束流离子束进行中和，可降低空间电荷效应，提高束流传输效率，进而提高现代工艺水平下的浅结，超浅结的大剂量注入的生产效率。
1 系统构成和工作原理1.1 等离子喷淋系统构成主要由三部分组成：电源系统、喷淋枪和配气系统。
其中，电源系统提供产生等离子体所需的电源，配气系统提供产生等离子体所需原料，Ar或者Xe，而由于Xe比Ar所需解离的能量更低的优点，在目前主流的注入机上普遍使用，Ar只有在某些中束流注入机上使用；喷淋枪是系统核心，产生所需要的等离子体的。
高温等离子体的诊断与控制
高温等离子体的诊断与控制引言：高温等离子体是物理研究和工程应用中的重要领域之一，它在核聚变研究、等离子体激光技术、材料加工等方面发挥着重要作用。
然而，由于高温等离子体独特的性质，其诊断和控制面临诸多挑战。
本文将从等离子体诊断的方法和控制的手段两个方面进行探讨，旨在深入了解高温等离子体的特性，并寻求更有效的诊断和控制技术。
一、等离子体诊断的方法1.光谱诊断光谱诊断是等离子体研究中常用的方法之一。
通过测量等离子体放射出的光谱，可以了解等离子体的组分、温度、密度等重要参数。
常用的光谱诊断技术有可见光、紫外光和X射线等。
其中，拉曼散射光谱通过探测散射光，可以测量等离子体中的压强、温度和密度等参数，是一项非常有前景的技术。
2.微波诊断微波诊断是一种通过测量等离子体中的微波信号来研究等离子体性质的方法。
等离子体中的微波信号会受到等离子体密度和磁场等因素的影响，通过分析这些信号的特性，可以获得等离子体的密度、温度、湍流等相关信息。
这种方法非常适用于等离子体的非侵入性测量。
3.粒子诊断粒子诊断是通过测量等离子体中的粒子流动来研究等离子体性质的方法。
常见的粒子诊断技术包括电离杆、拉曼散射、拉曼散射光谱等。
通过这些技术，可以测量等离子体的粒子浓度、电荷状态以及粒子运动速度等信息，从而了解等离子体的行为和性质。
二、等离子体控制的手段1.外场控制外场控制是一种通过电磁场或磁场的作用来控制等离子体的方法。
其中，磁场控制是一种常用的手段，通过改变磁场的强度和分布，可以控制等离子体的形状、稳定性和运动状态。
此外，还可以利用电磁场的作用来驱动等离子体运动，实现对等离子体的控制。
2.等离子体注入等离子体注入是一种通过向等离子体中注入粒子来影响等离子体性质的方法。
常见的等离子体注入手段包括离子束注入和中性粒子束注入等。
通过控制注入粒子的能量、速度和流量等参数，可以改变等离子体的温度、密度和组分等，从而实现对等离子体的控制。
3.反馈控制反馈控制是一种通过测量等离子体性质，然后根据测量结果对等离子体参数进行调节的方法。
等离子体的应用之一
PECVD的种类
直接式—基片位于一个电极上，直接接触 等离子体（低频放电10-500kHz或高频 13.56MHz）
间接式—基片不接触激发电极（如 2.45GHz微波激发等离子）
直接式的PECVD
由于化学和物理作用都有助于实现刻蚀， 因此可以灵活地选择工作条件以获得最佳 的刻蚀效果。
等离子体技术在VLSI中的应用
1.等离子体清洗技术 2.离子注入 3.干法刻蚀 4.等离子体增强化学气相淀积（PECVD）
PECVD的原理
利用低温等离子体作能量源，样品置于低 气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电 （或另加发热体）使样品升温到预定的温 度，然后通入适量的反应气体，气体经一 系列化学反应和等离子体反应，在样品表 面形成固态薄膜。
第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使 材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀， 称为溅射刻蚀。
两种结合产生第三种刻蚀方法称为反应离子刻蚀。
等离子体刻蚀原理
等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应， 使反应气体激活成活性粒子，如原子或游 离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位， 在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发 性生成物而被去除。它的优势在于快速的 刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。
等离子刻蚀的原理
等离子体中存在有离子、电子和游离基 （游离态的原子、分子或原子团）等，这 些游离态的原子、分子或原子团等活性粒 子，具有很强的化学活性，位于硅片表面 的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发 态游离基发生化学反应，生成挥发性的物 质，从而使薄膜材料收到刻蚀。
通过化学反应完成，有比较好的选择性。
离子注入
等离子枪加热的原理
等离子枪加热的原理
等离子枪加热的原理是利用等离子体将电能转化为热能。
等离子体是由高温或高能电子或离子组成的气体，具有较高的电导率和活性。
当电能输入到等离子体中时，电子和离子会受到激发，增加其平均能量，并导致等离子体的温度升高。
等离子枪通过控制电流、电压和等离子体的性质来实现对材料的加热。
具体来说，等离子枪通常包括一个电源、一个发射器和一个加热室。
电源提供电能，发射器将电能转化为电子束或离子束，然后将其注入加热室中的等离子体。
在加热室中，电子和离子与气体分子碰撞，释放出额外的能量，导致气体温度升高。
而这些高温气体则会通过传热方式将热能传递给加热室中的材料。
等离子枪加热的原理类似于等离子弧焊和等离子体切割，但在加热过程中通常需要更高的温度以实现所需的加热效果。
这种加热方法广泛应用于金属加热、材料表面处理、焊接、熔化和烘烤等工业领域。
等离子注入
等离子注入工艺综述摘要 离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。
本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。
关键字 离子注入技术半导体 掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。
后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。
离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。
离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI ）。
由此看来，这种技术的重要性不言而喻。
因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。
2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。
它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。
离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。
在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。
2.1.1离子射程xpz图2.1.1（a ） 离子射程模型图图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。
其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。
入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。
定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：nn xdE S d =（1）ee dE S k dx== （2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+（3）P0000P 0n ed d d d d R E E E ER x E x S S===+⎰⎰⎰（4）n S 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。
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等离子注入工艺综述摘要 离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。
本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。
关键字 离子注入技术 半导体 掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。
后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。
离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。
离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI ）。
由此看来，这种技术的重要性不言而喻。
因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。
2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。
它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。
离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。
在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。
2.1.1离子射程xp z图2.1.1（a ） 离子射程模型图图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。
其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。
入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。
定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：n n xdE S d = （1） e e e dE S k E dx == （2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+ （3）P0000P 0n e d d d d d R E E E E R x E x S S ===+⎰⎰⎰（4） n S 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。
图2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。
eS 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。
左图中，2E E =时，n e S S =图2.1.1（b ）离子总能量损失率数值计算曲线yz 0p x py d d Ex e d ()d E x n d ()d E x 1E 2E 0E图2.1.1（c ）S n > S e 时离子路径图2.1.1（d ）S n < S e 讨论： (1)当入射离子的初始能量0E 小于2E 所对应的能量值时，n e S S >，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。
如图2.1.1（c ）。
(2)当0E 远大于2E 所对应的能量值时，n e S S <，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。
随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。
如图2.1.1（d ）2.1基本结构离子注入机总体上分为七个主要的部分，分别是：①离子源： 用于离化杂质的容器。
常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和PH3 等。
②质量分析器： 不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。
③加速器： 为高压静电场，用来对离子束加速。
该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。
④中性束偏移器： 利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
⑤聚焦系统： 用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。
⑥偏转扫描系统： 用来实现离子束 x 、y 方向的一定面积内进行扫描。
pr px px p r E⑦工作室： 放置样品的地方，其位置可调。
图2.2离子注入系统示意图2.1.1离子源根据离子源的类型分类，可以将其分为两类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS ）。
其中，掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 μm ，亮度为 10 ~ 100 A/cm 2.sr 。
而聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS ）出现后才得以顺利发展。
LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm ，亮度为 106 ~ 107 A/cm 2.sr 。
液态金属离子源是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。
此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。
工作原理：E 1 是主高压，即离子束的加速电压；E 2是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E 3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 r o = 1 ~ 5 μm ，改3E 2E 1E 引出极变 E 2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子 图2.2.1液态金属离子源工作示意图 束的关键。
当E 2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm ）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。
其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。
若改变E 2的极性 ，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。
3离子注入技术中的一些重要理论3.1注入离子的分布3.1.1纵向浓度分布对于无定形靶（如SiO 2、Si 3N 4、Al 2O 3等），注入例子的纵向浓度分布可取高斯分布：由(16)可知，纵向离子浓度是高斯分布。
其中()N x 表示距离靶表面为x 的注入离子浓度；p R ∆是标准差，可查表得到；max N 为峰值处浓度，它与注入剂量s N 关系为图3.1.1 纵向离子浓度分布图2max 1()exp[()]2p p x R N x N R -=-∆(16)max 0.42ss pp N N R R π=≈∆∆(17)3.1.2横向效应横向效应指的是注入离子在垂直入射的方向平面内的分布分布情况。
横向效应直接影响了MOS 晶体管的有效沟道长度。
通过一宽2d 的窄窗口注入的离子，在y 轴正方向的空间分布情况可由下式求出：3.2注入损伤高能离子注入半导体靶时与靶原子核发生碰撞，并把能量传输给靶原子。
最后注入离子丧失掉能量而终止于靶中。
在上述过程中，当传给靶原子的能量足够大时，可使靶原子发生位移，形成一个碰撞与位移的级连，从而在靶中形成无数空位与间隙原子。
这些缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的性能。
此外，注入离子的很大部分并不正好处在晶格格点上，它们没有活性。
为了消除缺陷并激活注入的离子，注入后的样品必须进行退火。
20121(,,)exp ()22(2)p p p x R Q N x y z erfc R Y R ππ⎧⎫⎡⎤-⎪⎪=-⎢⎥⎨⎬⎢⎥∆∆⎣⎦⎢⎥∆⎪⎪⎣⎦⎩⎭g g (18)轻离子注入前图3.2（c ）退火前后示意图在如今的半导体行业中，主要采用快速热退火（RTA ）工艺。
这种工艺的退火过程很快 (小于1分钟), 更好的片间（WTW ）均匀性, 能够保证高温下, 退火超越扩散，因此具有最小化杂质扩散的优点。
4 离子注入技术的优缺点及其应用4.1 离子注入技术和扩散工艺比较图4.1离子注入和扩散工艺的比较关于离子注入和传统扩散工艺的比较，我们可以通过下表直观看出来：扩散 离子注入重离子注入后退火前退火后()3.2a a 图注入损伤示意图（）3.2b b 图（）注入损伤示意图（）掺杂区结深度离子注入扩散4.2 优点和缺点4.2.1 优点①可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；②可以获得任意的掺杂浓度分布；③注入温度低，一般不超过 400℃，退火温度也在 650℃左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；④结面比较平坦；⑤工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶等；⑥均匀性和重复性好；⑦横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；⑧可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；⑨扩大了杂质的选择范围；⑩离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。
4.2.2 缺点：①离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；②离子注入难以获得很深的结深；③离子注入的生产效率比扩散工艺低；④离子注入系统复杂昂贵。
4.3离子注入技术的应用离子注入机主要应用在半导体行业和金属材料制造业。
在前者中，由于该技术的应用，产生了大规模和超大规模集成电路。
而在后者中，该技术大大改善了金属材料的表面性能，提高了其抗腐蚀、耐磨、润滑等性能。
5总结通过上述对离子注入技术的基本原理、基本结构以及一些应用的介绍，我们可以清楚地认识到离子注入技术的重要性。
半导体掺杂仍是未来电子技术发展水平的瓶颈，因为要想突破现有的集成规模，必须能够制造出更加精细化的元器件，这就需要掺杂工艺更加精细，更具有可控性。
因此，对离子注入技术的改进是未来高精工艺的发展方向。
目前，离子注入技术已经被应用到太阳能电池生产领域。
这意味着，该技术的重要性再次得到加强。
我们知道，太阳能电池领域是21世纪能源竞争的主战场，因此发展离子注入技术、培养这方面的人才刻不容缓。
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