离子注入介绍
离子注入英文缩写
离子注入英文缩写离子注入是一种在材料科学和半导体工业中常用的技术，用于改变材料结构和性质。
它是通过将离子加速到高速并注入到材料中，以改变其物理和化学性质。
离子注入在半导体器件制造、材料改性和应变工程等领域具有广泛的应用。
在学术和工业界中，离子注入常常使用缩写来简化描述和交流。
下面是一些常见的离子注入英文缩写。
1. I/I：Ion ImplantationIon Implantation 表示的是离子注入技术，是将离子流注入到固体表面中的一种方法。
离子在加速器中加速到一定能量后，通过开启一个加速器口径，使离子束流击中材料表面，并在表面形成一定的能量损失。
这种注入过程可以改变材料的化学成分和属性。
2. SIMS：Secondary Ion Mass SpectrometrySecondary Ion Mass Spectrometry 是离子注入后常用的分析技术。
它是通过对离子注入材料后产生的次级离子进行质谱分析，来确定材料的化学成分。
这项技术能够精确地分析出离子注入过程中造成的杂质浓度和材料的晶体结构等信息。
3. RBS：Rutherford Backscattering SpectrometryRutherford Backscattering Spectrometry 是一种离子注入表面分析技术。
它通过测量入射离子在材料内部的散射角度和能量，来确定材料的组成和薄膜的厚度。
这种分析方法通常用于薄膜的制备和材料的质量控制。
4. ESD：Electrostatic DischargeElectrostatic Discharge 是离子注入过程中的一个重要问题。
它指的是由于离子在注入过程中产生的静电累积，造成电荷积累，从而导致电压的释放和电击现象。
此现象可能会导致器件损坏和失效，因此在离子注入过程中需要特殊的电防护措施。
5. BOR: Box Overlap RatioBox Overlap Ratio 是离子注入中的一个参数，用于定义不同离子束对护柱中心的距离。
离子注入技术在半导体加工中的应用
离子注入技术在半导体加工中的应用随着科技的快速发展，人们对半导体加工技术的需求越来越高。
而作为半导体加工中的一种关键技术，离子注入技术在半导体加工中的应用也越来越广泛。
本文旨在介绍离子注入技术在半导体加工中的应用，从基本原理、设备和应用实例等方面进行讲解。
一、基本原理离子注入技术是一种将高能量离子注入到物质中的技术。
基本原理是，利用带电的离子束对半导体材料进行加工处理。
离子束会产生较大的电子和电洞密度，从而改变半导体晶格中的原子结构，实现对物质特性的控制。
离子注入技术可以改变半导体的电学、光学和磁学性质，进而实现材料的性能优化。
离子注入技术中使用的离子种类多种多样，如重离子、轻离子、氢离子等。
离子注入技术的选择会受到许多因素的影响，包括材料的特点、工艺要求和设备条件等。
离子注入技术的优点是材料处理非常均匀，且具有较强的可控性和可重复性。
二、设备离子注入技术需要特定的设备来完成。
设备主要由离子源、加速器、准直器和注入室组成。
离子源是产生离子束的能源，加速器是用来将离子加速到高能的设备。
准直器是用来调整离子束的方向和形状，使它能够在注入室内精确地照射样品表面。
注入室是离子注入技术中最关键的组成部分之一。
它必须采用紫外线、热电子发射或电子轰击等方式来电离气体，以产生离子束。
这些离子束经过准直器之后，会被注入到待处理的半导体材料表面中。
设备制造的精度和控制技术的发展，让离子注入技术在半导体生产中成为了不可缺少的一环。
三、应用实例离子注入技术在半导体加工中有非常广泛的应用。
其中最常见的应用是在芯片制造过程中使用，通过注入不同材料的离子，可以调整半导体材料的电学特性，使其更加适合具体的芯片功能。
例如，常用的PN结调节器件，就是利用离子注入技术实现的。
PN结调节器件具有开关功能，可将电压从正向变为反向。
此外，利用离子注入技术还可以改变材料的光学性质，例如调节太阳能电池板的吸光度和光通量损失等。
此外，在集成电路制造过程中，离子注入也是非常关键的一步。
离子注入技术的介绍
离子注入技术的介绍离子注入技术就是将某种元素原子经过电离生成离子，并将离子放置在几十至几百千伏电压下使其进行加速，在获得较高的速度后射入事先放在真空靶室中的材料表面地一种离子束技术。
离子注入机是集成的电路制造前的工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面进行掺杂的技术，其目的是为了改变半导体载流子浓度和导电类型。
离子注入机已广泛用于工业掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，其已成为集成电路的制造工艺中必不可少的关键装备。
本实验基于兰州大学核学院应用物理与辐射技术研究团队的低能强流离子注入机实验装置。
本论文的主要工作是学习和掌握离子注入机的工作原理及构造，并对注入机仪器进行调试。
本论文将重点介绍加速器的组成和其各个构件的原理，离子源的原理和种类，加速器在国内外的现状和发展，具体安装和调试过程，最后进行数据的记录和分析。
本工作利用电离氢气，获得H+，H 2+，H3+离子束，通过调节引出电压的大小控制各类离子束能，利用速度选择器进行分离和选择离子的种类，通过调节各聚焦电极实现不同离子束光路的最优化。
本工作得到了再离子能量为15KeV和17KeV时，H+，H2+，H3+的最大运行束流，以及相关的运行参数。
该调试结果将为今后实验装置的稳定运行提供参考。
通过本工作，使我学习了离子注入机的原理及应用，了解了离子注入机各个组成部件，学会了如何调试离子注入机。
关键字：离子注入机低能区强流1.1加速器的发展带电粒子加速器就是用人工方法借助不同形态的电场，能将不同种类带电粒子加速到更高能量的电磁装置，常称为粒子加速器，简称为加速器。
粒子加速器一开始是用作探索原子核的重要手段而发展起来的。
1919年，卢瑟福利用天然放射源开创了人类历史上第一个人工核反应，激发了人们用高能粒子束变革原子核地强烈愿望。
1930年，Earnest.O. Lawrence制作了历史上第一台回旋加速器1932年，J．D．考克饶夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在England的Cavendish实验室研究制造了700kV高压倍加速器用来加速质子，即Cockroft-Walton加速器，实现了历史上第一个由人工加速的粒子引发的Li（p，α）He核反应。
离子注入原理
离子注入原理
离子注入原理是一种利用离子注入技术来改变物质属性的原理，它可以改变物质的外观、结构、性能以及其他特性。
离子注入原理是一种重新分配物质结构中离子的原理，它能够将某种物质的离子替换成其他离子，从而改变物质的性能和性质。
离子注入原理通常用于改变某种物质的结构、性能和特性。
离子注入可以改变物质的化学和物理性质，如电荷、流动性、电阻等，从而改变物质的外观、结构和性能。
离子注入原理也可以用于增加物质的熔点、抗老化性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等。
离子注入原理也可以用于改善某种物质的绝缘性能和耐热性能。
离子注入可以通过替换某种物质的离子，改变物质的电荷结构，从而改善物质的绝缘性能和耐热性能。
此外，离子注入原理也可以用于改善物质的机械性能，如抗弯曲性能、抗拉伸性能和硬度等。
离子注入原理是一种利用改变物质结构中离子的原理，改变物质的外观、结构、性能和特性。
它可以改善物质的电荷结构、熔点、抗老化性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等，以及物质的机械性能，如抗弯曲性能、抗拉伸性能和硬度等。
离子注入原理是一种经济、实用且非常有效的技术，它可以有效地改变物质的性能和特性，为工业生产提供技术支持。
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入介绍
掺杂，曝光，刻蚀，镀膜，退火，净化，改性，打孔，切割，等。不同 的用途需要不同的离子能量E，
E<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术
离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接 打入晶元中，达到掺杂的目的
共晶合金LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属 的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。 当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式： 先加速后分析 前后加速，中间分析 第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.偏转扫描系统
用来使离子束沿X,Y方向在一定面积内进行扫描 静电光栅扫描，适于中低束流机 机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流 注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子，磁质量分析 器则相反，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子 加速。该加速能量是决定离子 注入深度的一个重要参量，一 般需要<1e-6Torr的真空环境
离子注入
级联碰撞
移位原子
因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 能量淀积过程 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电 子的过程，称为能量淀积过程。一般来说，能量淀积可 以通过弹性碰撞和非弹性碰撞两种形式进行。弹性碰撞 能量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形 式的能。
当注入离子的能量较高时，非弹性碰撞淀积过程起 主要作用；离子的能量较低时，弹性碰撞占主要地位。 在集成电路制造中，弹性碰撞占主要地位。
离子注入
四、离子注入的缺点
产生的晶格损伤不易消除
很难进行很深或很浅的结的注入 高剂量注入时产率低 设备价格昂贵（约200万美金）
离子注入
五、离子注入的应用
可以用于n/p型硅的制作 隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备
注入离子在无定形靶中的分布
级联碰撞
移位阀能
使一个处于晶格位置的原子发生移位所需要的最小能 量称为移位阀能，用Ed表示。 注入离子与靶内原子碰撞的3种可能 1.碰撞过程中传递的能量小于Ed,被碰原子在平衡位置振动, 将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子,表现为宏观热 能； 2.碰撞过程中传递的能量在Ed和2Ed间,被碰原子成为移位原 子，并留下一个空位,但它不可能使与它碰撞原子移位； 3.被碰原子本身移位后,还具有很高的能量，在它运动过程 中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。
离子注入的沟道效应
沟道效应的定义 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离 子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入 离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为沟道效 应。 产生沟道效应的原因 当离子注入的方向=沟道方向时,离子因为没有碰到晶格 而长驱直入，故注入深度较大。 沟道效应产生的影响 在不应该存在杂质的深度发现杂质。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
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。
半导体工艺之离子注入
半导体离子注入工艺--离子注入离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
1.离子注入原理:离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。
入射离子能量越高，射程就会越长。
投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。
有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。
3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。
4.离子注入设备离子注入机体积庞大，结构非常复杂。
根据它所能提供的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。
离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。
（1）离子源离子源的任务是提供所需的杂质离子。
在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有和 等， （2）离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。
离子注入法介绍
平行于主晶轴时 1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时， 沟道效应： 单晶靶中 当离子速度方向平行于主晶轴 有部分离子可能会行进很长距离 造成较深的杂质分布。 有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。 很长距离，
当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角 远大于临界角时 ■ 当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时， 沟道效应很小。 沟道效应很小。
当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短， 当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s) 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s)
（6）杂质剂量与杂质浓度的关系 杂质剂量与杂质浓度 剂量与杂质浓度的关系
三、射程与入射离子的分布
■
决定引出离子的能量(速度) 决定引出离子的能量(速度)
（2）质量分析器： 质量分析器：
■
选择注入所需的杂质成分(B+) 选择注入所需的杂质成分(B+)
分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向 方向垂直于离子束的速度方向 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的
离子运动路径： 离子运动路径：
离子运动速率： 离子运动速率： 质量m+δ 的离子产生的位移量 质量m+δm的离子产生的位移量
气态源： 或固体源) 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2
■
放电室：低气压、 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 → B，B+，BF2+，F+， B+， F+， …… 引出狭缝：负电位，吸引出离子 引出狭缝：负电位，
离子束流量(最大mA量级) 离子束流量(最大mA量级 量级) 吸极电压Vext：约15～30KV， 吸极电压V 15～30KV，
离子注入技术(Implant)
基本结构：离子注入系统（传统）
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。 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。 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（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
GSD/200E2离子注入机技术指标 1.离子束能量
80KeV 形式：2 - 80KeV（也可选90KeV）
160KeV形式：5 – 160KeV(也可选180KeV)
2.80KeV注入机的最大束流
GSD/200E2离子注入机技术指标 3.160KeV注入机的最大束流
离子注入机设备与发展
离子注入机设备与发展
目前最大的几家IMP设备厂商是VARIAN（瓦 里安 ）, AXCELIS, AIBT（汉辰科技 ）, 而全球最大的设备厂商AMAT（应用材料）基 本退出了IMPLANTER的领域，高能离子注入 机以AXCELIS为主，主要为批量注入，而 Varian则占领了Single的市场 。
22nm以下的离子注入机
LMIS 的类型、结构和发射机理
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可 液态金属 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， 钨针 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 束斑离子束的关键。
2.2 注入离子浓度分布
基本结构：离子注入系统（传统）
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。 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。 工作室：放置样品的地方，其位置可 调。
离子注入的概念
1. 材料改性：通过注入特定的离子，可以改变材料的化学成分、晶体结构或者物理性质。 例如，通过注入氮离子可以增加材料的硬度和耐磨性，通过注入硼离子可以改善材料的导电 性能。
2. 半导体器件制造：离子注入在半导体器件制造中起着关键作用。通过注入特定的离子， 可以改变半导体材料的导电性质，形成PN结、源极和漏极等结构。
离子注入的概念
离子注入是一种材料加工技术，它通过将高能离子束注入到材料中，改变材料的物理、化 学性质或者结构。
离子注入通常使用离子加速器来产生高能离子束。离子加速器会加速离子，使其具有足够 的动能穿透材料表面并嵌入到材料内部。注入的离子可以是单一种类的离子，也可以是多种 不同种类过注入离子可以改变材料表面的化学成分和性质，从而实现表面硬化、耐 腐蚀、抗氧化等效果。这在航空航天、汽车、电子等领域中具有重要应用。
4. 生物医学应用：离子注入在生物医学领域中也有一些应用。例如，通过注入离子可以改 变医用材料的表面性质，提高其生物相容性和耐久性。
离子注入技术具有可控性强、加工速度快、适用于各种材料等优点，因此在多个领域得到 广泛应用。
离子注入法介绍PPT课件
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时解第3步
计算杂质最大浓度：
求解第4步
写出杂质浓度分布公式：
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4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深 由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
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4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
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5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在 离子注入计算机模拟工具中十 分常见。
（2）质量分析器：
选择注入所需的杂质成分(B+)
■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向
离子运动路径：
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
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（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
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二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制
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（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
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离子注入原理
离子注入原理
离子注入是一种将离子束加速并注入到固体材料中的技术。
它通过加速器将离子加速到高速，并经过选通孔进入真空室。
在真空室中，离子束通过电场和磁场的作用被转向和聚焦，最终注入到固体材料的表面或内部。
离子注入的过程中，离子束与固体材料发生相互作用，这主要包括两种作用：电子损失和核损失。
电子损失是指离子束中的离子与固体材料中的电子相互作用，导致电子被激发或离开原子轨道。
这种相互作用导致了离子束的能量损失，使离子的路径发生弯曲。
同时，被激发或离开轨道的电子也会与固体材料中的其他原子相互作用，形成激发态或离子。
这些电子的产生和扩散过程对材料的性质和结构有着重要的影响。
核损失是指离子束中的离子与固体材料中的原子核相互作用，导致原子核被排斥或吸引。
这种相互作用导致了离子束的能量损失，并改变了离子的运动方向。
当离子的速度较高时，会产生较大的核损失，导致离子在材料中形成较深的轰击区域。
离子注入的主要应用领域包括微电子器件制造、材料改性和材料分析等。
通过调控注入离子的种类、能量和注入剂量，可以实现对材料的物理、化学和电学性质的调控和改变。
第七章：离子注入
调节阈值电压 阈值电压公式：
QBm＝q· NB· Xdm， QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度
轻掺杂漏（LDD：Lightly Doped Drain ）注入
源漏注入
多晶硅栅掺杂 沟槽电容器
超浅结
超浅结
绝缘体上的硅（SOI）
在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形 成SOI结构（silicon on insulator）
2994 710 1238 456 582 207
3496 766 1497 528 686 241
3974 813 1757 595 791 275
4432 854 2019 659 898 308
4872 890 2279 719 1005 341
（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp 值 (Å)
分析磁体
3. 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动 能）。
加速管
4. 扫描系统
用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫 描。 束斑 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式 1. 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移动硅片（大束流）
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位： 离子每平方厘米 其中I为束流，单位是库仑每秒（安 培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2
注入能量 离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表 示。单位：千电子伏特KEV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场 运动，它的能量为100KEV
离子注入
离子注入工艺特点
1、注入离子纯度高、能量单一：可保证掺杂纯度 2、低温工艺：掩蔽物选择方便；避免热缺陷
3、杂质含量控制精确、注入杂质均匀性好：扫描控制
4、无固溶度极限，非平衡过程，灵活、范围广泛 5、注入离子易穿过氧化物、氮化物薄膜，掺杂材料选择灵活 6、高能杂质离子轰击对晶体结构产生损伤，需退火等修复处 理；设备复杂程度高，投资成本高
离子源—离子产生过程
离子源结构主要由电弧反应室（起弧室）、电子反射器、
高频振荡线圈（激活气体分子）和辅助磁场等结构组成。
离子源类型
在一定真空度（低压）下，采用由热钨丝（灯 丝）源产生的电子轰击杂质气体分子或原子，粒子 (原子或分子）离化产生离子。 常用离子源设备有Freeman式离子源和Bernas 式离子源，二者差异在于采用热钨丝形状不同，此 外，Bernas式离子源采用了带负电的电子反射器。
注入设备-加速管
最终能量分析磁体
注入设备-扫描设备（机械式）
离子束方向固定 硅片沿三维方向移动
注入设备-扫描设备（机械式）
注入设备-扫描设备（电子式）
作用机理：在一套ＸＹ电极上加特定电压，使离子束发生 偏转后注入到固定硅片上，类似于喷油漆。
离子注入设备-电子式
聚焦阳极：调整离子运动轨迹与束宽，保持方向一致性； 中性束流陷阱：使正离子束发生偏转，淘汰掉中性束流，保
注入设备- Freeman式离子源
注入设备- Bernas式离子源
提高离子产生效率
离子产生过程
电弧室侧壁作阳极，当气体进入时，在阴极 和阳极间加电压，灯丝通大电流，高温灯丝产生
高能热电子与气体分子发生碰撞，产生正离子，
外部磁铁施加一个磁场，以使电子螺旋形旋转,提 高离子获取数量。
离子注入介绍范文
离子注入介绍范文离子注入是一种用于半导体器件的加工技术，其能够在材料表面注入离子，从而改变材料的结构和性质。
离子注入广泛应用于半导体制造和原子物理研究领域，对于提高材料的导电性、改善电子器件的性能以及研究材料的行为都具有重要意义。
本文将探讨离子注入的原理、应用和发展趋势。
离子注入的原理是将离子束引入到材料表面，并通过碰撞使离子嵌入到材料的晶格中。
离子注入的过程包括离子束的生成、加速、聚焦和注入等步骤。
首先，离子生成器会将气体或固体样品中的原子或分子转化成离子，然后将其加速到一定能量。
接下来，离子束会通过电场或磁场进行聚焦，以控制离子束的直径和形状。
最后，离子束会注入到材料的表面，使离子嵌入到材料的晶格中。
离子注入的应用十分广泛。
在半导体制造领域，离子注入被用于制造电晶体管、集成电路和存储器等器件。
通过注入不同种类的离子，可以控制材料的电导率、掺杂浓度和建立PN结构等。
离子注入还可用于改善半导体器件的性能，例如，提高光电探测器的灵敏度和增加太阳能电池的效率。
此外，离子注入还可以用于材料表面的改性和生物医学的研究等领域。
离子注入技术的发展趋势也值得关注。
一方面，随着电子器件的尺寸不断缩小，离子注入技术需要更高的精度和分辨率。
因此，研究人员正在开发新的材料和加工工艺以满足需求。
例如，离子束刻蚀技术可以通过刻蚀材料表面的离子束来制作纳米尺寸的结构。
另一方面，离子注入还有望应用于新兴领域，如量子计算和量子通信。
离子注入在这些领域中可以用于控制原子和分子之间的相互作用，实现超越经典计算的新型计算方式。
然而，离子注入技术也面临一些挑战。
首先，离子注入过程对材料产生了辐射损伤，导致材料的性能下降。
此外，离子注入还可能引起器件中的杂质和缺陷，影响器件的可靠性和长寿命。
因此，研究人员需要在注入的精度和材料性能之间寻找平衡。
其次，离子注入设备的成本较高，限制了其在一些领域的广泛应用。
随着技术的进步，设备的成本有望降低，从而促进该技术的发展。
离子注入
原理
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表 面改性技术。其基本原理是：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，最后停留在材料中，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。 此项技术由于其独特而突出的优点，已经 在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益 和社会效益。
集成电路前道制程中有许多光刻层之后的工艺是离子注入（ion implantation），这些光刻层被称为离子注 入光刻层（implant layers）。离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉，清除离子注入后的光刻胶是 光刻工艺中的一个难点。
优势
高能离子注入的优势 多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制； 不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序； 牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合 牢靠，不存在脱落的现象； 不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进 行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；
(2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；
(3)精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可 大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；
(4)挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；
半导体工艺--离子注入
注入离子将能量转移给晶格原子 – 产生自由原子（间隙原子－空位缺陷对）
自由原子与其它晶格原子碰撞 – 使更多的晶格原子成为自由原子 – 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止
一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移
9、退火：
退火：将完成离子注入的硅片在一定的温度下，经 过适当的热处理，则硅片上的损伤就可能得到消除， 少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复， 杂质也得到一定比例的电激活。
2、离子束的性质：
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流， 能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高 的动能。
离子束的用途： 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、 打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ：
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
7、离子与衬底原子的相互作用：
注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离 子的分布、衬底的损伤。
注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电 子的相互作用，称为电子阻止。和离子与核的相互作 用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。
在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶原 子质量越小电子阻止越大。
10、离子注入的 优缺点：
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、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；
3、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；
4、离子注入系统：
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目录第一章离子注入原理第二章离子注入机简介第三章 GSD 200 E2离子注入机的组成及工作原理第一节 GSD 200 E2离子注入机的技术指标第二节 GSD 200 E2离子注入机的机械结构1.离子源部分 source component2.束线部分beam line component3.靶盘及终端台部分end station component 第四章安全注意事项第一章离子注入原理半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质.为了使半导体材料能够在半导体器件中制成p-n结,电阻器,欧姆接触以及互连线,需要对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质,从而制成真正的半导体器件.掺杂就是将所需的杂质按所要求的浓度与分布掺入到半导体材料中,掺入杂质的种类,数量及其分布对器件的影响极大,必须加以精确控制,因此掺杂是半导体制造中的一道重要工艺.在集成电路制造中,掺杂主要采用两种方法:扩散法和离子注入法.扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中,因为在一定的温度条件下,杂质原子具有一定的能量,它能够克服某种阻力进入到半导体中,并在其中作缓慢的迁移运动,这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中.扩散运动只是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,移动的快慢与温度,浓度梯度有关.一般讲高浓度深结掺杂采用热扩散,而浅结高精度掺杂采用离子注入.由于离子注入可以严格地控制掺杂量及其分布,而且具有掺杂温度低,横向扩散小,可掺杂的元素多,可对各种材料进行掺杂,杂质浓度不受材料固溶度的限制,所以离子注入目前己被广泛地采用.尤其是对于MOSVLSI器件,需要严格控制开启电压,负载电阻等,一般的热扩散技术已不适用,必须采用离子注入.所谓离子注入就是先使待掺杂的原子(或分子)电离,再加速到一定的能量,使之注入到晶体中,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的目的.当高能量的离子进入晶体后,不断地与原子核及核外电子碰撞,然后逐渐损失能量,最后停止下来.离子进入单晶后的运动,可分为两种情况.一种是沿着晶轴的方向运动,在晶格空隙中穿行, 好象在“沟道”中运动一样,它和核外电子作用,使原子电离或激发,由于离子质量比电子大很多,每次碰撞离子能量损失很少,且都是小角度散射,散射的方向是随机的,多次散射的结果离子运动方向基本不变.这种离子可以走得很远,称沟道离子.另一种是离子的运动方向远离晶轴,因此它们与原子核相碰撞,因两者质量往往是一个量级,一次碰撞可以损失较多的能量,且可能发生大角度散射,使靶原子核离开原来的晶格位置,它变成一个新离子,它可以继续碰撞另外一个原子核,由于原子核的碰撞损耗较多能量,所以它们走的路径也较短.这段从进入晶体后与原子核碰撞而停止的距离就是结深.不同能量的离子,行走的距离也就不同,所以我们就可以通过调节离子能量的大小来控制制品的结深.在实际的注入掺杂工艺中,为了提高注入的重复性,应尽量避免发生沟道注入,而使注入离子尽可能停留在晶格上,(事实上注入离子的很大部分并不正好处于晶格点阵上)这就必须控制好离子束与晶体主轴的角度.由于两者间的夹角比较难控制,所以注入时一般使离子束与晶体主轴方向偏7o-10o,使大多数离子停留在晶格上.离子对原子核的碰撞,会使一部分原子核离开晶格位置,形成一个碰撞与位移的级连,在靶中形成无数空位与间隙原子,这些缺陷的存在将使半导体中的载流子的迁移率下降,少子寿命缩短,从而影响器仲的性能.当注入剂量很大时(剂量单位:注入的离子数/每平方厘米)可使单晶硅严重损伤以至于变成无定形硅.因此离子注入后往往需要通过退火使靶材料恢复晶体状态,并且使注入的离子激活---即把不在晶格位置上的离子运动到晶格点阵上,起到电活性掺杂作用.第二章离子注入机简介根据不同的工艺,对离子注入有不同的要求,比如结深,剂量,均匀性,重复性等等,但是其中最基本的要求是结深和剂量.为了满足这两个要求,人们就设计了各种不同的注入机.我们知道结深与离子的能量有关,为了获得不同的结深可以通过调节注入离子的能量来实现,由此就出现了高能注入机,低能注入机.比如axcelis 生产的GSD/VHE高能注入机的能量为P＋ 10-1400KeV,B＋ 10-1600KeV.而axcelis生产的GSDIII/LED低能注入机的能量为0.2KeV-80KeV.所以仅这两种注入机就复盖了从0.2KeV-1600KeV全部能量范围.但仅有结深要求还是不够的,我们还需对掺杂离子的剂量有所要求,一般情况下掺杂离子的剂量与注入机输出的离子束束流有关,为了获得不同的剂量就可通过调整束流来实现,由此就出现了高电流注入机,中电流注入机.比如axcelis生产的GSD/200E2高电流注入机,在30KeV-160KeV情况下都能提供20mA束流(P＋和As＋).axcelis的8250HT中电流注入机,在3KeV-750KeV 情况下其束流在0.12mA-3.0mA可调(P＋).但是注入机按能量与束流的分类并非十分严格,但就一般而言,高能机的束流就小一些,高电流机的能量就低一点.虽然注入机的种类较多,但它们的工作原理还是基本相同的,尽管在结构上各有所异.离子注入机就是一个对所需的杂质分子进行电离,从而产生所需的离子,通过高压电场和磁场的作用,使离子获得足够的能量,均匀地注入到硅片上的一种专用设备.注入机本体可分为三大部分:离子源,束线部分,靶室及终端台.离子源.自由电子在电磁场的作用下,获得足够的能量后撞击掺杂气体分子或原子,使之电离成离子,再经吸极吸出,通过聚焦成为离子束,然后进入束线部分.所以离子源就是产生有能量的离子束的地方.束线部分.当离子进入束线部分后它将经过多道处理,以使我们得到所需要的离子.主要经过磁分析器,聚焦透镜,旗法拉弟,电子浴发生器等.事实上不同注入机的最大区别就在束线部分.我们可以在磁分析器后加上后加,减速电极,使离子能量增加或减少.可以在磁分析器后加上线性加速器使之变成高能注入机.也可以在磁分析器后加上离子水平和垂直扫描装置,实现电子扫描(非机械扫描).还可以在束线加速未端加上能量分析器,从而筛选出我们所需要的能量的离子.由于机台的不同,实现这些功能的结构或设备也有所不同.靶室及终端台从束线部分出来的被加速的离子最终到达靶室的硅片上实现离子注入.根据不同的机械结构,处于靶室中的硅片有的处于静止状态,有的处于垂直方向往复运动,也有的同时做垂直和旋转运动.另外处于靶室中的硅片为了工艺需要,常常将硅片平面调整到与束流成某一角度的位置.靶室与终端台的另一个作用就是实现硅片的装载与卸载.这是一套复杂的机械系统,为了适应程序化,自动化的需要,各注入机的终端台硅片传送系统也有很大不同.以上就是离子注入机的基本结构和工作原理.第三章 GSD / 200 E2离子注入机的组成及工作原理GSD / 200E2是美国axcelis公司生产的高电流离子注入机.经过多次改进,设备的性能有了很大提高.我们公司有两台GSD / 200E2，下面就主要参照GSD/ 200E2来介绍离子注入机的组成及工作原理。
第一节GSD / 200 E2离子注入机的技术指标1.离子束能量.80KeV 形式:2 – 80KeV (也可选90KeV)160KeV形式:5 – 160KeV (也可选180KeV)2.80KeV注入机的最大束流＋ ( mA )75AS ( mA ) 31P ( mA ) 能量(KeV) 11B ( mA ) BF22 1.0 - - -225 4.53.510 10 8 7 6108 1220 10202030 108.540-80 10 9 20 202090 109 20注:此束流从靶盘法拉弟测得.3.160KeV注入机的最大束流能量 (KeV) 11B ( mA ) BF( mA ) 75AS ( mA ) 31P ( mA )25 3.5 2 1.5 1.5610 8.5571010820 920208.530 940-80 9 9 20 2090-160(180) 9 9 20 20 注:此束流从靶盘法拉弟测得.4.最小束流10uA5.注入剂量5E11 – 1E16 原子数/平方厘米6.机械流片量硅片直经 (mm) 批处理数 ( 片 )流片量 ( 片 )最长注入时间(秒)200 13 220 73 150 17 239 96 125 20248 1117.靶盘角度转换│α│+│β│≤11,α或B ≥10±0.50(GSD 设定)8.设备真空部 位 真空泵形式 真空值离子源部分 source housing SEIKOA2203C(2000 L/S) Turbo-Molecular pump ≤5E-7 束线部分 (分析磁铁及后加速) beamline ( 160KeV) Leybold TMP (1000 L/S )≤5E-7 束线部分(不含靶盘腔) beamline/resolving housing CTI-8 On-Board Fast Regen≤5E-7 束线部分(不含分析磁铁及后加速) resolving housing/process chamber CTI-10 On-BoardFast Regen ≤5E-79.硅片温度控制硅片的最高温度不可超过100C 0,因此要控制注入离子的剂量不能超过1E16.因为1E16剂量就相当于2700瓦的束流功率.10.颗粒度颗粒大小 (um ) 硅片正面颗粒累计值 ( cm 2 ) ≥0.30 ≤0.05 ≥0.20 ≤0.11 ≥0.16 ≤0.1811.ELS 离子源的使用寿命离子种类束流状况使用时间(小时) 11B和BF最大束流≥80275AS 和31P (50% 混合)最大束流≥125最大束流X 80% ≥16812.自动引束源的状态引束时间 ( 分 )冷固态源 45冷气态源 15气体-固体 15固体-气体 15气体-气体 5能量变化 5第二节GSD / 200 E2离子注入机的机械结构GSD / 200E2离子注入机由离子源,束线部分和靶盘终端台组成.其基本结构如图.下面是两种不同机台的结构组成图.图1是GSD-160KeV.图2是GSD-80KeV.图1 GSD-160KeV机械结构图2 GSD-80KeV机械结构两种机台的不同之处在于160KeV的注入机多了后加速这部分. 下面介绍这三大组成部分.1.离子源SOURCE离子源是产生离子的地方,我们知道产生离子的方法有许多种,比如高压电离等.但在离子注入机中常用的离子源是采用电子撞击气体分子或原子产生离子.当气体进入起弧室后将进行气体电离.起弧室内有灯丝,阴极,反射板.灯丝被加热后就会发射电子,由于起弧室内存有一定浓度的气体粒子,灯丝发射的电子就会撞击这些粒子,使粒子外层的电子脱离原来的运行轨道成为自由电子而粒子则变成带正电的离子.这就是电离的简单过程.起弧室内产生了离子后,怎样把离子引出来呢?假如在起弧室外的某一位置放一个电极,在起弧室与电极之间施加一定的电压,而且电压的极性是放电腔端接正,电极端接负,在此电场的作用下,带正电的离子就会向电源负极的电极运动,从而把离子引出来.离子源的工作过程就是先产生离子然后把离子吸引出来并给予其一定的能量通过聚焦等一系列过程进入到下面的磁分析器.但是为了进行更好的电离,减少X射线,使离子束聚焦,事实上还有很多辅助环节.下面将对离子源部分进行分解.离子源的组成离子源由四大部分组成,分别是气体箱gas box,离子源头source head,吸极extraction electrode和离子源腔source housing.如图3.图3 source部分机械结构1).离子源头SOURCE HEAD离子源头结构离子源头中包括起弧室arc chamber,蒸发器vaporizer,灯丝filament,反射板repeller.图4 source head结构离子源头的功能和工作原理起弧室和蒸发器都安装在离子源头的壳体上.蒸发器就是一个园筒型的坩埚,坩埚外层缠绕加热线圈.因为我们所用的离子源材料可以是固体也可以是气体,对于固体源一定要先转换成气体源才能电离.所以必须把固体源放入蒸发器内加热使其气化,然后把蒸气导入起弧室电离.在使用固体源时需要注意几点:第一,加装时要注意安全,对于有毒,易燃源要做好相应的防护措施.第二,加装源要适度,加得太满反而不易产生蒸气.加得太少要频繁停机加源,影响生产.第三,不同固体源有不同的气化温度,所以要正确地设定加热温度.第四,停机要注意离子源的降温,氮气冷却要保持一定的时间.为了保持离子浓度,我们要求连续地供入气体,但对固体源束说,一旦固体用完就没有蒸气了,所以我们需留意,适时地加入固体源.灯丝,阴极和反射板装在起弧室内.起弧室是用钼材料制成的腔体,其盖板上的狭缝供通过束流.axcelis注入机,对于不同型号的机器其盖板的材料和形状也不同,所以不能混淆.灯丝,阴极和反射板通过绝缘子与起弧室固定.灯丝供发射电子用,随着使用时间增加,灯丝会变细,此时的灯丝电流就会变小,影响束流,因此要及时更换灯丝.在大束流中换灯丝的频率可能会更高些,这对于连续生产就会有影响.为此axcelis作了改进,推出了长寿命离子源ELS(Extended Life Source).ELS就是在灯丝上面加装了一个金属罩作阴极.当灯丝通电后发热,此热量传递给阴极,使阴极发射出电子.由于阴极罩的表面积远比灯丝大,它发射的电子更多更均匀寿命也更长. 反射板是为了增加电子与气体分子碰撞的机会,使气体分子充分电离,产生更多的离子.为了使离子源正常工作,需对各部件提供必要的电源.其线路如下.由图中可以看到供给灯丝的10V电压用以加热电丝,所以电流比较大.灯丝紧靠阴极罩,但不接触,阴极受到灯丝的热辐射发射电子.在灯丝与阴极间的600V电压,是为了形成阴极电流使阴极能稳定发射的电子.要注意电源的极性,正极接阴极,负极接灯丝.一般情况下电丝电压和阴极电压是不变的.我们知道阴极发射的电子是用来撞击气体分子的,但往往能量较小电离效果不好,所以在阴极与起弧室间加了150V电压,在此电压的作用下,阴极发射的电子被加速,具有一定的动能而向起弧室四壁作定向运动,在运动过程中它就会撞击到气体分子进行电离.我们同样要注意到电源的极性,负极接阴极,正极接起弧室用以吸收电子.在这三个电源中经常调整的是起弧电源,这是因为我们经常要调整束流的大小.一般情况下调整起弧电流就能达到此目的,增加起弧电流就会使电离所需的电子增加,电离效果更好,因此就能产生更多的离子.2).高压吸极EXTRANTION ELECTRODE高压吸极的结构图5 extrantion electrode结构图6 extrantion electrode 结构分解高压电极分为吸极和伺服机构两大部分.吸极包括抑制电极,高压吸极,绝缘子以及电极支架.伺服机构包括直流伺服电机,伺服机构支架.高压吸极的功能和工作原理为了把起弧室内的离子吸出,我们在起弧室盖板的前面安装了一块极板,并在这两者间施加5 – 90kv的直流高压,高压的正端接起弧室,负端接电极,那么起弧室内的正离子就处于高压电场的作用下而向负端电极作加速运动.吸极是一块园形金属板,它中间装有一块石墨槽,离子穿过石墨槽到达了磁分析器. 所以正离子从起弧室吸出并被加速是吸极的笫一个功能.吸极的第二个功能就是聚焦.为了满足不同的能量输出,需要调节起弧室与吸极间的直流高压,对不同的电压,为了保证离子被吸出就要调整两者的间距.对某一直流高压,如果间距大,电场力就小,吸引离子的能力就降低,离子从起弧室出来就成发散状,使穿过吸极的离子量减少.如果将间距调小,电场力加大,吸引离子的能力就增加,离子从起弧室出来就集成一束,使穿过吸极的离子量增加.这就是吸极的聚焦作用.但是,并不是两者的间距越小越好,如果间距太小将造成高压放电,另外间距太小将使焦点后移,从吸极出来的束流将会发散.所以间距应调整到使焦点正好在高压吸极处.吸极的第三个功能就是使离子束中性化离子束中含有大量的正离子,这些正离子间也存在作用力,它们要互相排斥,体现在离子束的形状上,它是随着束流长度的增加而越加发散.显然束流发散对离子注入将产生不利影响.为了克服束流发散,在束流中要掺入适量的电子,使离子束整个成中性.那么这些电子从那里来?当离子束穿过高压吸极的狭缝时,它会撞击狭缝四周的石墨件而产生二次电子,这些电子就充入到束流中,充当了中和离子的角色.伺服机构的功能和工作原理因为我们要调节直流高压,所以根据电压的高低就需要调整吸极的距离,这将通过伺服机构来完成.其中直流伺服电机和与其同轴的高精度可变电阻,组成一位置闭环系统,不同的位置就有不同的电量输出去控制电机转动.电机再通过齿形皮带带动丝杆和吸极前后移动.需要强调的是,离子击打到吸极板上会产生二次电子,二次电子再逆上到高压电源的正极就发出X射线,这是我们要尽量避免的.我们己经知道,随看吸极的前后移动,束流聚焦会发生变化,如果向后移动,束流就可能打到吸极狭缝的四周产生二次电子,如果此时将狭缝放大,束流就可能击打不到狭缝四周边缘.所以GSD 200E2的高压吸极,有一套机械装置,使狭缝的大小可随吸极的前后移动而相应变动,这样就克服了离子束因击打石墨件产生的二次电子.3).离子源腔SOURCE HOUSING离子源腔的结构图7 source housing结构离子源腔是一个金属架构,它上面安装了离子源头及附属安装件,离子源磁铁,高压吸极,高真空泵,和真空腔隔离阀.离子源头虽然安装在离子源腔上,但离子源头和离子源腔不能有电气连接,因为在整个离子源头上要加+90KV直流高压(假设+90KV)而离子源腔以及与之直接相通(指电路上相通)的高压吸极是O电位,所以离子源头与离子源腔之间要绝缘,在设备上我们就能看到一个很大的橙色绝缘环,通过它实现机械连接而电气隔断.然而离子源头还需与其它相关部件联系,比如掺杂气体,工作电源,冷却水,冷却氮气等,这些部件都必须与离子源头绝缘.为此我们把掺杂气瓶,气体控制装置,以及起弧电源,阴极电源,灯丝电源,蒸发器加热电源,离子源控制器都集中在一个气体箱内(gas box),然后在气体箱底部加装绝缘子与机架等部件绝缘.由于气体箱与离子源头是同处于+90kv的高电位,因此必须注意到高压危险.与离子源头相连的冷却水管和氮气管采用绝缘塑料管,冷却水是去离子水,所以这些都不会影响到90kv的绝缘,不过需要注意的是去离子水的绝缘度,如果水的绝缘电阻小于40兆欧就必须更换离子交换器.离子源磁铁是两块电磁铁,它是两个带铁芯的线圈,位于离子源腔的上下两端.离子源磁铁的准确位置就是要保证磁力线能穿过起弧室.那么磁力线穿过起弧室起什么作用?下面对此进行分析.图8 source magnate结构离子源磁铁的功能和工作原理离子源起弧室中的阴极本是向四周无规则地发射电子,如果加上起弧电压它就会向离起弧室最近的壁作定向运动,在运动过程中碰撞气体分子而产生离子.但这里面有一个问题,电子的运动轨迹是一条最短的直线,也就是说仅能在电子直线运动的范围内与气体分子碰撞,大部分范围内气体分子将没有机会被碰撞,影响电离效果.为了增加电子与气体分子的碰撞机会,我们在起弧室内加入磁场,电子在磁场的作用下将会作螺旋状的运动从而大大增加碰撞机会,使电离效果更好.根据电磁学的原理,磁场中的带电粒子会发生偏转,如果带电粒子以垂直于磁场或与磁场成一角度(不能与磁场平行)的速度进入磁场,那么在洛仑磁力的作用下,带电粒子将作园周或螺旋状的旋转运动,其运动半径为R=mvsin θ/qB,我们会发现粒子的运动半径与粒子的运动速度成正比,与磁场强度成反比(对于电子来讲质量与电荷量都是常量).也就是磁场越弱或运动速度越大粒子的运动半径就越大,反之就小.与运动速度相关的是起弧电压,与磁场相关的是磁场电流.这两个物理量都是可控的,我们可以通过调节这两个物理量去控制电子的运动半径.那么半径是大好呢还是小好?这没有一个固定值,但存在一个范围.在这个范围内运动半径都是可以的.但如果超出此范围就不好了,那么会出现什么情况呢?有二种状态.第一,半径很大.己经不能形成螺旋状运动,电子只是作曲线运动,直接到起弧室壁.显然这不是我们所希望的.第二,半经很小.由于半径很小,电子的运动路程将太为缩短,当然与气体分子碰撞的机会也减小,这也是我们不希望的.显然能够在起弧室内,沿内壁作螺旋状运动的半径才是我们所希望的.一般来说起弧电压也不是经常调节的,所以只有调节磁场电流.人们往往通过调整离子源磁场电流来改善电离效果.2.束线部分BEAM LINE束线部分就象一座连接离子源与靶盘间的桥樑。