1、離子濺射注入技術(shù)的發(fā)展歷史

離子濺射注入技術(shù)早在1944年就已開始使用。二戰(zhàn)時(shí)期，在U235上用同位素隔離方法制作新材料，產(chǎn)生的鈾束流來自UF6上工作的離子源。100mA的鈾離子束以每秒170微克的速率在靶上積聚，商業(yè)應(yīng)用極其昂貴。1950年貝爾實(shí)驗(yàn)室利用離子濺射注入技術(shù)改善材料特性及對半導(dǎo)體摻雜，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)采用退火技術(shù)可消除離子注入后的半導(dǎo)體晶片損傷。但是在1960年到1970年間，由于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件對摻雜要求不高，擴(kuò)散摻雜方法完全能滿足當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體摻雜的需要，且擴(kuò)散爐制作簡單，成本低，無需高真空環(huán)境，而注入機(jī)制作復(fù)雜，需高真空度環(huán)境，成本高，因此在此十年間，注入機(jī)沒有得到相應(yīng)的發(fā)展，離子注入摻雜的優(yōu)越性也沒有體現(xiàn)出來。直到后來，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mostek Corp第一次成功地采用了低劑量的離子注入調(diào)節(jié)閥值電壓，從而體現(xiàn)了離子注入機(jī)精確控制劑量而擴(kuò)散方法無法做到的優(yōu)越性。70年代早期，Solid state部的Bill Appleton對離子束材料做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，該項(xiàng)目集中研究固體中能量離子的通道效應(yīng)和物理特性，不久這項(xiàng)研究擴(kuò)展到離子注入。對半導(dǎo)體、金屬、絕緣體、陶瓷等的離子束改性研究由來自大學(xué)和工業(yè)界的熱心合作者們開展，而且成果很快超過Appleton成員小組。結(jié)果，1980年形成了表面改性和特征研究中心（SMAC），離子注入設(shè)備也因之?dāng)U大。中心現(xiàn)在擁有四個(gè)加速器，具備強(qiáng)流，高能注入和低能離子束淀積的獨(dú)特特性。80年代，隨著集成電路的大規(guī)模發(fā)展，需要注入的能量、劑量范圍增大、注入元素增多，發(fā)展成為中束流離子注入機(jī)，大束流離子注入機(jī)及專用高能機(jī)、專用低能機(jī)等。1984年以來離子濺射注入技術(shù)工藝也獲得飛速發(fā)展，可獲得平行束，能夠在束中傾斜，重新定位或旋轉(zhuǎn)。

2、離子濺射注入技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，離子注入機(jī)的領(lǐng)導(dǎo)廠商主要有美國的應(yīng)用材料、亞舍利、維利安，日本的SEN、日產(chǎn)、日本真空等，一般來說，設(shè)備制造廠家生產(chǎn)三種類型注入機(jī)：強(qiáng)流注入機(jī)、中束流注入機(jī)和高能注入機(jī)。強(qiáng)流注入機(jī)提供高劑量注入、大束流、成本低。工作電壓從200eV到120keV，可以注入各種元素，所使用的離子源，要么是燈絲結(jié)構(gòu)，要么是抗熱陰極非直接加熱，產(chǎn)生電子和離子。另一種方法是采用RF射頻源技術(shù)，實(shí)際上是在磁場環(huán)境產(chǎn)生分子激勵(lì)，然后產(chǎn)生更高引出束流和更冷的靜等離子體。傳統(tǒng)的強(qiáng)流注入采用批量工藝降低成本。這要求將13張圓片放在固體鋁盤上，在1000-11200rpm速率下旋轉(zhuǎn)。最近Varian推出了一項(xiàng)處理圓片的新技術(shù)，將圓片風(fēng)險(xiǎn)降至最低，不要空轉(zhuǎn)圓片。Varian介紹SHC-80圓片，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)系列工藝類型。該類型比市場上其他的更迅速、更干凈，只需要批處理系統(tǒng)的小部分部件工作。機(jī)器允許以低廉的成本處理200mm和300m圓片。

高能注入帶來更大的靈活性，同時(shí)提高亞微米器件結(jié)構(gòu)的特性。其優(yōu)點(diǎn)還包括低熱負(fù)荷，IC制作上工藝靈活性強(qiáng)。摻雜面可以修整優(yōu)化滿足不同器件性能要求，具有通道靈活性、熱載生成，結(jié)電容和CMOS閂鎖敏感性。利用高能注入可保證微米層在表面以下生成而不形成任何形式的擾動(dòng)。使用的技術(shù)類似于200keV下的通用技術(shù)，此時(shí)離子穿透基片更高，在靠近表面的基片背景層無任何擾動(dòng)。集中尖峰緩慢移動(dòng)靠近表面，然后形成一道逆行墻。因此，高能注入給IC制作帶來更多機(jī)遇。

國際半導(dǎo)體技術(shù)路圖顯示離子注入面臨兩大主要挑戰(zhàn)：(1)形成低泄漏淺結(jié)；(2)以低成本使用MeV注入替代外延，利用低能硼離子束注入技術(shù)獲得高質(zhì)量淺P型結(jié)進(jìn)行注入的分子動(dòng)態(tài)研究。獲得高質(zhì)量的淺P型結(jié)的最新技術(shù)由Kyoto大學(xué)離子束工程實(shí)驗(yàn)室完成。采用硼化氫的簇離子注入技術(shù)形成淺結(jié)。小的硼束流和單體注入進(jìn)行分子動(dòng)態(tài)模擬。在最后階段，通過B10簇形成損害可望避免附加B原子瞬態(tài)提高擴(kuò)散，獲得高質(zhì)量淺P型結(jié)。

3、離子注入技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 離子濺射注入技術(shù)應(yīng)用于金屬材料改性

離子濺射注入技術(shù)應(yīng)用于金屬材料改性，是在經(jīng)過熱處理或表面鍍膜工藝的金屬材料上,用離子注入機(jī)注入一定劑量和能量的離子到金屬材料表面，改變材料表面層的化學(xué)成份，物理結(jié)構(gòu)和相態(tài)，從而改變材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能。具體地說，離子注入能改變材料的聲學(xué)、光學(xué)和超導(dǎo)性能，提高材料的工作硬度、耐磨損性、抗腐蝕性和抗氧化性，最終延長材料工作壽命。

3.2 離子濺射注入技術(shù)應(yīng)用于摻雜工藝

在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，離子濺射注入技術(shù)得天獨(dú)厚，具有高精度的劑量均勻性和重復(fù)性，可以獲得理想的摻雜濃度和集成度，使電路的集成度、速度、成品率和壽命大為提高，成本及功耗降低。這一點(diǎn)不同于化學(xué)氣相淀積，化學(xué)氣相淀積要獲得理想?yún)?shù)如膜厚和密度，需要調(diào)整設(shè)備設(shè)定參數(shù)如溫度和氣流速率，是一個(gè)復(fù)雜過程。70年代要處理簡單的n型金屬氧化物半導(dǎo)體可能只需6-8次注入，而現(xiàn)代嵌入記憶功能的CMOS集成電路可能需要注入達(dá)35次。

3.3 離子濺射注入技術(shù)在SOI技術(shù)中的應(yīng)用

由于SOI技術(shù)（silicon-On-Indulator）在亞微米ULSI低壓低功耗電路和抗輻照電路等方面日益成熟的應(yīng)用，人們對SOI制備技術(shù)進(jìn)行了廣泛探索。1966年Watanabe和Tooi首先報(bào)道通過O⁺注入形成SILF表面的Si氧化物來進(jìn)行器件間的絕緣隔離的可能性。1978年，NTT報(bào)道用這項(xiàng)技術(shù)研制出高速、低功耗的CMOS鏈振蕩電路后，這種注O⁺技術(shù)成為眾人注目的新技術(shù)。從而注氧隔離技術(shù)即SIMOX就成了眾多SOI制備技術(shù)中最有前途的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)。1983年NTT成功運(yùn)用了SIMOX技術(shù)大批生產(chǎn)了COMSBSH集成電路；1986年NTT還研制了抗輻射器件。這一切，使得 NTT聯(lián)合EATON公司共同開發(fā)了強(qiáng)流氧離子注入機(jī)（束流達(dá)100mA），之后EATON公司生產(chǎn)了一系列NV-200超強(qiáng)流氧離子注入機(jī)，后來Ibis公司也研制了Ibis-1000超強(qiáng)流氧離子注入。從此SIMOX技術(shù)進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)年代。到了90年代后期，人們在對SIMOX材料的廣泛應(yīng)用進(jìn)行研究的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了注氧形成的SOI材料存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如硅島、缺陷，頂部硅層和氧化層的厚度不均勻等，從而導(dǎo)致了人們開始著眼于注氫和硅片鍵合技術(shù)相結(jié)合的智能剝離技術(shù)即SMART CUT技術(shù)的研究。

除了半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)外，離子濺射注入技術(shù)也廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷、玻璃、復(fù)合物、聚合物、礦物以及植物種子改良上。