实习报告——MEVVA源离子注入技术
一、实习报告名称 (一级标题，黑体，三号) MEVVA源离子注入技术 二、实习起止时间
2008年9月20日至2008年10月10日 三、实习地点
北京师范大学低能和物理研究所 1
四、实习内容(含原理简介)
4.1 MEVVA源离子注入技术发展及介绍 4.1.1 离子注入技术的发展
离子束技术是一项不断发展和完善的新型技术,它的应用范围非常广泛,加工的对象种类繁多又千变万化,几乎包括了整个材料科学的研究对象。这项技术的不断发展和完善,推动了材料科学本身的发展,在基础学科的研究上取得了许多新成果,在国民经济和国防上具有巨大的经济效益。在20世纪50年代美国贝尔实验室的RusellOhl首先将该技术用于改善半导体的掺杂特性。自那之后，尤其是60年代以来，离子注入在基础理论和应用研究等诸多领域都获得了飞速发展，取得令人瞩目的成果。 70年代中期发展起离子束材料改性,由于开发了强束流氮离子注入技术,在80年代中期开始走向一定规模的工业生产阶段。现在已发展到可以在各种基体材料中注入差不多所有元素的离子，离子注入已经成为材料表面改性的最重要的方法。
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4.1.2 离子注入技术简介
1、强束流氮离子注入
为了材料改性的需要,英国哈威尔原子能研究中心的Freeman教授等人研制出强束流氮离子注入机，束流强度可达50mA。不采用质量分离器，因为通入离子源气体为高纯氮,引出的离子也是高纯的氮离子束，束流直径可达到1m。
2、强流金属离子注入
MEVVA源属于强金属宽束离子源,其基本原理是利用触发器触发阴极引起阴极和阳极间弧光放电,从而将阴极材料蒸发到放电室中,被蒸发的阴极原子在等离子放电过程中被电离而形成正离子,等离子在磁场的作用下可以减少离子在室壁上的损失。正离子通过阳极和多孔的引出极而形成较宽的金属离子束,再经加速电压加速后注入到靶材表面。
3、浸没离子注入
将注入的工件置于等离子体中加上负电位,于是等离子体中的正离子则奔向工件而注入到工件表面,这种注入方式称
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为浸没离子注入。这种注入的特点是全方位离子注入,可加工复杂的工件。如果工件上加上负脉冲电位,那么注入离子的能量将增加。
4.1.3 离子注入技术的特点
离子注入过程是先将预先选择的元素的原子电离成离子，再经过电场加速，使其获得若干千电子伏特的能量(通常为20,50okeV)，然后将其引入到固体表面。与其它表面改性方法相比，离子注入具有以下特点:[1]
1) 离子注入是非热平衡过程。离子注入是将经加速器加速后具有一定能量的离子注入到固体表面的物理过程，不受热平衡条件的限制，原则上可以将任何一种元素在各种温度条件下注入到任意的靶材料中，而且不受固溶度的限制，这一特性为发展新材料提供了一种全新而独特的手段。
2) 离子注入不会引起靶材料的变形。表面强化对提高金属材料的使用性能是至关重要的，但大部分的表面强化过程都需要在一定高温条件下进行，变形是不可避免的，由于离
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子注入可以在低温和常温下进行，因此可以实现对金属材料的表面超精强化。另外强化层与基体无明显界面(注入离子与基体原子级混合)，结合力大大提高。
3) 离子注入是一种改变材料表面性质的高度可控技术。通过自由地调整注入过程中的两个独立参量注入能量和剂量，可准确地控制注入元素在靶材料中的浓度分布和注入深度，加上离子注入极容易实现控制装置的自动化，保证了表面改性处理的精度和重现性。
4) 高能量的入射离子能够穿透一定厚度的掩蔽膜(如硅半导体表面的膜)进行注入，实现埋层注入，这对于制作高质量的半导体器件是十分有利的。
4.1.4 MEVVA源离子注入机及相关研究 文本框:
(a)结构示意图 (b)实物图 5
MEVVA源的结构和实物图
美国布朗(Brouwn)教授在1985年发表了金属蒸发真空弧离子源(MEVVA)的研究结果，获得了当年的美国100项研究成果奖。从发明到现在的广泛研究，MEVVA离子源发展逐步成熟， 稳定工作引出束流达50mA以上，束斑直径达500mm以上。我国在MEVVA离子源研究及其工业应用方面处在国际先进水平。1998年世界上首家以MEVVA离子源技术加工的民用企业在我国出现，并取得良好经济效益，这是高技术成果产业化的成功范例，也说明MEVVA离子源技术在材料表面加工上拥有潜在的巨大优势。[2]
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MEVVA 离子源的工作原理: 6
MEVVA 离子源包括金属等离子体形成区和金属离子束形成区两部分。前者由阴极、阳极和触发电极组成，后者由一组多孔三电极组成。阴极、触发电极和阳极为同轴结构。阴极为圆柱形，由所需离子的导电材料制成，阳极为圆柱简形套在阴极面。阳极中心开孔为等离子通道。阴极和阳极间施加一电压并不能形成真空弧放电，必须经触发点燃，采用脉冲高压触发方式。外触发结构即触发电极套在阴极外，中间用氮化硼绝缘，触发电压10 kV 左右，触发脉宽10 us。当触发电压施加在阴极和触发电极上时，用于火花放电产生的等离子体使阴极和阳极电路接通而形成真空弧放电。真空弧放电的重复频率由触发脉冲频率决定，而真空弧放电持续时间则由主孤电源的脉冲长度决定。阴极真空弧放电的基率特征是在阴极表面形成阴极斑。阴极斑只有微米量级大小，而电流密度高达致使斑内阴极材料蒸发并高度电离，形成高密度金属等离子体。等离子体以m/s的速度喷射，一部分等离子体通过阳极中心孔扩散到引出电极，在引出电场作用下被引出而形成强流金属离子束。施加在阴阳极间的弧压越高，弧电流越大所产生的金属等离子体密度也就越高，从而有可能引出更大的束流。引出束流大小还同源的工作参数、引出电压、引出结构及阴极材料等有关。[3]
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我国有科学家研究了引出束流密度分布[4]。MEVVA源的束流密度符合高斯分布，束流密度分布对于引出电压和轴向磁场的变化并不敏感，因为离子源应用于离子注入系统中, 注入离子的参数如能量、流强等可能常要求改变, 但束分布的均匀性、束斑大小、散角以及发射度等并不发生大的变化, 这样注入的设备就变得简单, 调节起来也显得方便。
为了不断适应各种新的需要，研究人员不断改进MEVVA源。通常在进行离子注入时要求束流密度分布是均匀的,而MEVVA源的束流密度属于高斯分布，因此改善束流的均匀性成为离子注入机领域的重要研究课题。国外有科学家(俄罗斯A.I.Ryabch ikov)曾尝试控制等离子体的发射角，使得等离子体打到阳极栅网上，而不打到阳极筒上，从而得到一个较均匀的分布。国内有研究者试图在阴极弧斑附近适当位置加入会切磁场使等离子体在低速时改变它的运动方向，得到比较均匀的等离子体分布，并且适当调整会切磁场的强度可以得到一个相当平坦的电荷密度分布[5]。研究表明聚焦磁场对等离子体有明显的压缩作用、可大幅度提高阳极孔引出等离子体的密度，从而将普通阴极真空弧沉积的沉积速率提高了约3倍，并使膜层中大颗粒的含量大幅度减少，合成薄膜的表面粗糙度下降了1个数量级。北京师范大学低能核物
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理研究所的王广甫等人发现发现在阴极接地和阳极接地两种情况下，弧源的工作性能有很大的差异[6]。阴极接地时，因聚焦磁场对触发放电产生的弱等离子体中电子的压缩作用随聚焦磁场的升高，电子打到阳极的位置离阴极越来越远，数量越来越少，当聚焦磁场对此弱等离子体中电子的压缩作用使大量电子打到阳极以远，而打到阳极上的电子数量不足以沟通主弧回路时，就会出现断弧;而阳极接地时，因靶室外壳接地也可起到阳极作用，打到阳极外的电子，会打在靶室入口法兰上，当打到阳极上的电子数量不足以沟通主弧回路时，打在靶室入口法兰上的电子仍会通过靶室入口法兰沟通主弧回路。吴先映等研究人员研制出了5O型MEVVA 源注入机，平均引出束流达50 mA 以上，处理面积达8400，适合于产业化规划的离子束材料表面改性用离子注入机。
总之，MEVVA源作为一种新型强流金属离子源，可产生元素周期表中从锂到铀的所有金属离子，金属离子束流强、束斑大，特别适用于科学研究和工业应用。使
实习报告——MEVVA源离子注入技术
