离子注入应用举例 离子注入的优缺点

导语：在半导体工业中，离子注入技术发挥着至关重要的作用，通过精确控制离子的种类、能量和剂量，离子注入能够实现对半导体材料掺杂浓度的精确调控，这种技术不仅可以提高半导体器件的性能稳定性，还能够优化其电学特性，从而满足各种复杂电子系统的需求，下面就一起去看看离子注入应用举例和离子注入的优缺点吧！

离子注入应用举例

离子注入

(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。

(2)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。

(3)离子注入改善低温制冷机活塞杆的摩擦学性能。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。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。

工艺

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，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。

离子注入的优缺点

离子注入的优点包括精确控制杂质含量和分布、良好的杂质均匀性、对杂质穿透深度的良好控制、产生单一离子束、低温工艺、注入的离子能穿透薄膜、无固溶度极限。 离子注入的缺点主要包括高能杂质离子轰击硅原子对晶体结构产生损伤，需要退火进行修复，以及注入设备的复杂性。尽管注入设备的复杂性被其对剂量和深度的控制能力及整体工艺的灵活性所弥补，但这一缺点仍然存在。

优点：

精确控制杂质含量和分布：离子注入允许对杂质含量和分布进行精确控制，这对于半导体器件的制造尤为重要。

良好的杂质均匀性：与传统的扩散方法相比，离子注入能够提供更好的杂质均匀性。

对杂质穿透深度的良好控制：通过调整离子注入的参数，可以精确控制杂质在材料中的穿透深度。

产生单一离子束：离子注入能够产生单一离子束，这对于实现特定材料特性的改性非常有用。

低温工艺：与高温扩散过程相比，离子注入通常在较低的温度下进行，这有助于减少热损伤。

注入的离子能穿透薄膜：这使得离子注入成为在薄膜材料中实现掺杂的有效方法。

无固溶度极限：离子注入不受固溶度限制的约束，可以实现在传统方法中难以达到的掺杂水平。

缺点：

高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤：高能离子的轰击可能导致晶格损伤，需要通过退火来修复。

注入设备的复杂性：虽然离子注入提供了许多优点，但设备的复杂性和成本也是不容忽视的缺点。