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原子间的碰撞与离子注入的应用

原子间的碰撞与离子注入的应用
08506014 孙学鹏

摘要：从1896年天然放射性被发现之后，人们就把离子束与原子间的相互碰撞作为研究原子结构的有效手段。在了解了原子间的碰撞规律后，在今天，关于原子碰撞有了进一步的发展和有着重要的应用。并且，在粒子注入技术方面，也有重要的应用。本文主要介绍关于原子间碰撞和离子注入的应用。

关键词：原子碰撞、离子注入、相关应用、影响

Abstract: The natural radioactivity was discovered in 1896, people put the ion beam collide with atoms of atomic structure as an effective means. In understanding the laws of the collision between atoms, after today, on the atomic collisions has been further development and has important applications. And, in terms of particle injection, there are important applications. This paper describes the collision between atoms and on the application of ion implantation.

Key words: atomic collisions, ion implantation, ion implantation, first off applications

原子间的相互碰撞，经过这些年的发展，有了着实的发展。下面简单介绍一些相关应用。
低温等离子体技术在金属材料表面改性与保护方面
等离子体就是指部分或全部离子化的气体, 它们有电子、离子, 还包括激发分子、自由基和光子等高能活性成分, 且自由电子和离子所带正、负电荷总和完全抵消。而低温等离子体是指在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体。其中由于电子的质量远小于离子的质量, 因此电子温度可以在几万度到几十万度之间, 远高于离子温度(离子温度甚至可以与室温相等) 。
在低温等离子体中包含有多种粒子, 除了电离所产生的电子和离子(108～1017cm- 3 ) 以外, 还
有大量的中性粒子如原子、分子和自由基等。故粒子间的相互作用非常复杂, 由电子- 电子、电子-中性粒子、电子- 离子、离子- 离子、离子- 中性分子、中性分子- 中性分子等。在这样一个复杂的体系中, 由于电子、离子、激发原子、自由基的存在且相互作用, 因此常可以完成在普通情况下难以完成的反应。20 世纪七八十年代起, 等离子体表面改性开始蓬勃发展, 目前已形成一个独立的研究方向, 主要针对金属、聚合物、生物功能材料等方面。
材料表面改性方法包括化学的和物理的方法。通常化学方法比较繁琐, 且大量应用有毒化学试剂, 容易对环境造成污染, 对人体也有极大危害。与其相比, 低温等离子体表面处理技术具有工艺简单、操作简便、易于控制、对环境无污染等优点,日益受到人们的青睐。朗读
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等离子体的特点是: (1) 它对材料表面的作用深度仅数百埃, 不会影响基体材料的性质; (2) 能够处理各种形状的表面; (3) 有较强的杀菌作用。正是由于低温等离子体的独特性, 最近几年在材料表面改性中已经引起人们越来越多的注意和兴趣。如用等离子体杀菌, 分离薄膜的等离子体改性, 用于降低蛋白质的吸附解决薄膜的污染问题, 在玻璃基片上用等离子体喷涂 ,或将粒子束辅助沉积与物理气相沉积中离子注入相结合, 在钛金属上形成含羟基的磷灰石 , 研究可用作生物材料的有机化合物、金属、聚合物等材料的生物相容性。
低能原子簇轰击金属薄膜引起的级联碰撞
近年来, 原子簇与固体薄膜的相互作用受到人们极大的关注。原子簇轰击已用于材的表面分析和表面改性例如由50 个水分子组成的总能量为300K ev 的原子簇轰击碳薄膜时, 观察到直径为1.5-2mm的空洞。低能原子簇轰击已经用于表面镀膜，其能减少表面损伤且有较好的表面结合。原子簇轰击表面的溅射实验中, 还观察到很强的非线性效应。与同样速度的离子束轰击比较, 原子簇轰击得到的归一化溅射产额（每个原子的溅射产额）可高出几倍到几十倍。

用原子碰撞的原理，进行与生物分子之间进行碰撞。可以进行在生物技术上有较高的应用。
离子束生物技术作为一门新兴的交叉学科,是一种生物品种改良的新技术。20 世纪80 年代中期,中国科学院等离子体物理研究所余增亮研究员提出了借助于低能离子注入技术使生物体的特征特性发生本质变化,进而对生物体进行遗传改良的设想。经过近20多年的发展,无论从理论上还是实际应用中,离子束生物技术已在诱变育种、创造生物体新种质的实用技术研究中取得了一定的进展,为生物的遗传改良开辟了新途径。
　离子束生物技术的作用机理
借助于低能离子注入技术使生物体的特征特性发生本质变化,进而对生物体进行遗传改良是离子束生物技术的主导思想,离子生物技术是将能量为几万至几十万伏的离子束射入生物体内,在离子束的能量、质量和电荷三因素作用下,使基因产生突变,再从这些变异的种子中选出优良变异种质,经过培育而成为新品种。因此,能量、质量、电荷成为离子束生物技术作用的核心,能量沉积效应] 、质量沉积效应 、电荷交换效应[5 ]是目前离子束生物技术的主要理论依据。其中,能量沉积指注入的离子与生物体大分子发生一系列碰撞并逐步失去能量, 而生物大分子逐步获得能量进而发生键断裂、原子被击出位、生物大分子留下断键或缺陷的过程; 质量沉积指注入的离子与生物大分子形成新的分子; 动量传递会在分子中产生级联损伤; 电荷交换会引起生物分子电子0转移造成损伤, 从而使生物体产生死亡、自由基间接损伤、染色体重复、易位、倒位或使DNA 分子断裂、碱基缺失等多种生物学效应。有着许多优点，如变异频率高，变异谱宽，变异稳定快等。

离子注入（ion implantation）
当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。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高

等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图
新技术。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。此项高新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。
在工业应用方面，在电子工业中，离子注入现在已经成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。因此在当代制造大规模集成电路中，可以说是一种必不可少的手段。
　　离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105 V），获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。
　　离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。具有独特优点：
　　（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；
　　（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；
　　（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；
　　（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。

离子注入机,
就是把具有一定能量的带电离子注入到靶上基片中去, 使基片材料性能改变的工艺设备。它目前在三个方面得到了广泛的应用, 首先, 在半导体器件生产工艺上的应用。在这里, 它代替了传统的扩散设备把所需材料的离子注入到硅片中去, 使硅片形成∋ 一( 结, 这也是目前离子注入机最主要用途。其次是把一些特殊材料注入到金属中去, 使金属材料的某些性能得到改善, 即所谓材料改性。第三是通过离子注入进行材料表面分析。。
离子注入技术在浅结制备技术、提高铜合金耐磨性、研制高性能的耐磨轴承材料、诱导生物育种、对铁等金属表面处理以达到耐腐蚀的作用方面都有着重要应用。

参考资料：
【1】 原子物理书
【2】 物理学报
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