固体材料中的离子注入

什么是离子注入？

首先我们从物理学的角度来看，离子注入是能量在几十到几百千电子伏的离子束与固体材料相互作用过程中的一个物理过程。我们知道，载有能量

（载能）的离子束与固体材料相互作用时，会有许多不同的物理过程发生， 如电离和激发、入射离子的散射、二次粒子的产生、固体材料成分的溅射等。当载能的离子束入射固体材料后，由于上述种种物理过程而不断损失自己的能量，从而使自己的速度逐渐降低下来并趋近于零，最后在固体材料中停止下来，或者停留在晶体结构的格点上，成为所谓的置换原子，或者停留在格点之间，成为所谓的间隙原子，这个过程就是离子注入。图 12.5 是离子注入的示意图。从技术的角度来看，离子注入是这样一个过程，即用一种叫做离子注入机的小型加速器，首先将某种我们所需要的元素电离成带电的离子并用电场将它们加速到具有几十到几百千电子伏能量的离子束，最后将它们打到固体材料中去。

从材料科学与技术的角度来看，离子注入是一种改变或改善固体材料表面某种或某些特性的材料表面改性技术。载能的离子束注入到固体材料中去以后，除了会发生上述种种物理效应之外，还可能伴随着发生一些化学效应， 从而将引起固体材料表面层（微米量级）的成分、结构和性能的变化。人们可以通过控制离子注入过程中的各种技术参数，来定向地引导固体材料的表面成分、结构和性能发生预期的有利变化，从而达到优化固体材料表面性能， 或者获得某种新的优异特性的目的。

以下我们将从材料表面改性的角度，对离子注入的发展过程及其应用作些扼要的说明。

离子注入技术是怎样发展起来的？

早在本世纪 40 年代，人们就开始用离子注入来模拟原子反应堆结构材料

的辐射损伤。从 50 年代开始，人们将离子注入作为替代热扩散的一种掺杂新

方法应用于半导体材料。到了 60 年代初，已经研制成功磷离子注入硅的大面积浅结二极管，第一次生产出离子注入的半导体器件——核粒子探测器，这标志离子注入在半导体领域的实用化的开始，向人们预示了离子注入引人注目的应用前景。

随后，离子注入的研究和开发在国际上形成热潮，无论在基础研究还是实际应用方面都取得了极大进展，逐步走向成熟。到了 70 年代，离子注入已经成为大规模集成电路和超大规模集成电路研究和生产的关键工艺之一，对现代微电子学和计算机技术的飞速发展作出了重要的贡献。从 70 年代开始， 离子注入的应用扩展到了金属、陶瓷等非半导体材料的表面改性，开辟了一种新的独特的材料表面优化方法，经过 80 和 90 年代的发展，已经从实验室研究走向广泛的实际应用。

离子注入有哪些优点？

作为一种材料表面改性技术，离子注入到底有哪些特点和优点呢？概括起来，主要有以下几方面。

1. 在半导体材料掺杂上，过去采用热扩散工艺，对那些掺杂浓度极低和很浅的陡变结是很难控制的，在制备集成电路上，有严重的横向扩散，限制了集成度的提高，还容易引起高温条件下的热离解和热污染，并难以实现工艺过程的自动化。而离子注入控制的是电参数，可以很方便地控制两个独立的参数离子的能量和剂量（单位面积上注入的离子数），从而可以精确地控制掺杂的浓度和深度，而且掺杂的均匀性和重复性好，横向扩散小，特别有利于大规模集成电路和超大规模集成电路的生产。

2. 人们常用冶金和热扩散等常规方法将某种或某些元素添加到材料中去，以达到改善材料性能的目的。但是对于各种具体的材料来说，哪些元素可以添加进去，添加到多大的浓度，都要受到热力学规律的限制。而离子注入是借助于电场力将所需的某种元素以离子的形式“注入”到固体材料中去的，不受这种限制。而且也和各种表面涂层技术不同，表面涂层是附着在材料的表面，往往容易脱落，而离子注入是将元素打进材料里面去，在表面层内与原材料中的元素混合或化合在一起，不存在脱落问题。

3. 离子注入一般在室温附近温度和高真空条件下进行，可以避免那些需要热激活（高温条件）的常规方法带来的不利影响，也不会导致被注入元器件的变形和尺寸精度与表面光洁度的下降，特别适用于化合物半导体材料的掺杂和各种精密零部件的表面优化处理。

4. 离子注入一般的深度不到 1 微米，是一种表面技术，是用表面冶金化代替常规的冶金过程，这样不仅可以实现表面刚性（强度）和基体韧性（抗冲击性）的最佳搭配，而且可以节约大量的作为冶金添加元素的稀有金属和贵重金属材料。

离子注入应用举例

1. 离子注入已经成为大规模集成电路和超大规模集成电路的关键工艺之一。离子注入在半导体工业上的应用是离子注入的实际应用中起步最早、工艺最成熟、应用的最广泛、经济效益和社会效益最显著的一个领域。它已经和细线条加工、计算机辅助设计、材料制备与集成电路设计一起，形成大规模集成电路和超大规模集成电路的五大技术基础（或五大关键工艺）。

美国贝尔实验室和 IBM 公司在国际上最先进行大规模集成电路和超大规模集成电路的研究和生产，曾处于国际领先地位。日本为了赶超国际先进水平和争夺大规模集成电路和超大规模集成电路的国际市场，在 70 年代中组织了日立、松下等六大公司，组成一个联合研究集团，开展了离子束等射线技术在超大规模集成电路上的应用的研究和开发。由于发挥了协同研究的优势，很快就赶上美国，于 1978 年首次研制成功 256k 存储器，随后又很快生产出 512k，到了 90 年代初集成度已经达到 2M 以上。

据统计，我国已有 100 台左右的离子注入机用于大规模集成电路、超高频半导体器件、半导体红外探测器、核辐射探测器和固体激光器等方面的研究和生产。

近年来，用高剂量（1017～1018 离子/厘米 2）的氧离子注入到硅中去， 在硅的里面形成一个 SiO2 绝缘埋层，从而获得如图 12.6 所示的新的半导体材料的研究和开发取得了很大的发展。这种技术有人称它为离子束合成的注氧分隔技术。由于这种半导体材料在制作高速、抗辐射、耐高温电路和新型多功能电路等方面所具有的独特的优越性，被称为 21 世纪的硅集成电路用半

导体材料，引起人们的高度重视。美国把注氧分隔技术列入 1991 年美国国防部关键技术计划。近年来，在美、欧共体和日本等国，离子束合成的注氧分隔材料已经进入高技术的实际应用阶段。

图 12.6 离子束合成的注氧分隔硅材料示意图

1. 氮离子注入提高钛合金人工关节的使用寿命。钛合金具有强度高、比重轻和耐腐蚀等优点，被誉为“未来的金属”，有着广泛的应用前景。除了应用在航空、航天、化工等领域外，钛合金已成为人工关节的首选材料。这是因为除了上述种种优点之外，钛合金的体积弹性模量接近骨骼，而且还具有优良的生物相容性，植入体内后不会发生排斥反应或凝血反应。但是美中不足的是它的耐磨性和润滑性还不够理想，使用寿命还不够长。有些病人植入钛合金人工关节后，过了若干年后已经磨损得无法再用，不得不重新动手术更换，不仅给患者增加沉重的医疗费负担，而且给患者造成巨大的痛苦。因此，提高钛合金人工关节的使用寿命具有重大的经济价值和社会意义。

美国橡树岭国家实验室和斯贝尔公司，英国的哈威尔原子能研究中心和我国的清华大学相继进行了氮离子注入改善钛合金耐磨性的研究和开发，得到了几乎完全一致的结论：氮离子注入改善钛合金耐磨性的效果十分明显， 可高达 100 倍以上，而且磨屑大大减少，用于临床，完全可以做到一次植入后无须更换而很好地工作下去。这一成果很快得到了许多国家医学卫生部门的高度重视并批准氮离子注入钛合金人工关节进入临床应用。美国斯贝尔公司于 1985 年首先进行氮离子注入钛合金人工关节的商业性经营，平均每年处

理几千套全关节，到 1989 年～1990 年期间处理了 3 万套～4 万套。图 12.7 是氮离子注入处理过的钛合金人工髓关节照片。（3）离子注入改善低温制冷机活塞杆的摩擦学性能。图 12.8 是美国斯贝尔公司离子注入处理过的低温制冷机活塞杆的照片。这种元件在工作过程中不允许用常规的润滑剂或固体润滑剂，离子注入工艺是唯一的选择。经过用钛离子注入加碳离子注入后，寿命提高 100 多倍，已经得到推广应用。

（4）离子注入降低返回式卫星抽气泵的能耗。我国北京师范大学和北京有色金属研究总院协作，把离子注入技术用于返回式卫星遥感器抽气泵定子与转子的表面优化处理。图 12.9 是经过钛离子注入后的返回式卫星遥感器抽气泵定子与转子的照片。众所周知，降低各种零部件的能量消耗，对航天器来说具有特别重要的意义。在没有离子注入处理之前，抽气泵的能量消耗太大，工作电流达到 6.3 安以上，降低能量消耗的要求非常迫切。经过钛离子

注入后的抽气泵，经地面测试，工作电流降低到 4.7 安以下，而且工作也更加稳定可靠，达到了航天部门的要求。离子注入表面优化的遥感器抽气泵首次用在 92 年 8 月 9 日发射的返回式科学实验卫星上，取得了空前的成功。人

民日报于 1992 年 9 月 5 日在题为《我发射返回式卫星意义重大，各 项科学试验取得可喜成果》的文章中引用当时的航空航天部新闻发言人的话，说：“在卫星结构、星上探测设备等方面采用了一系列新技术，因而卫星探测精度有所提高，卫星获取的信息明显增加；卫星的可靠性和灵活性也有较大提高； 卫星在轨寿命也由以往的 3 天～ 8 天延长到 16 天。”有关单位还表示：“节省星上能源消耗是圆满完成任务的重要条件之一，离子注入工艺为卫星发射

成功做出了重要贡献。”这项应用已经得到推广应用。

除此以外，他们还用离子注入使铝型材热挤压模具的寿命提高 30 倍，高速钢切削工具（如麻花钻头、片铣刀、三面刃铣刀等）的使用寿命提高 7～ 20 倍，受到科技界和工业界的高度重视，并已得到实际的应用。