离子注入试验报告

离子注入实验报告离子注入实验报告 材料科学与工程 1 1 实验目的实验目的 （1）了解离子注入原理，掌握注入完成后的退火仪器原理及操作。 （2） 学会在样品上制作欧姆接触， 四探针法测量样品退火前后的薄 层电阻； 用热电笔法测量退火前后样品的导电类型，熟悉霍尔 测量的原理和装置。 2 2 离子注入原理离子注入原理 离子注入离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定 的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说 ,离子能量在 1－ 5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV 称作离子溅射；10－几百 KeV 称为离子注入。 离子注入在半导体掺杂领域有很多优点注入杂质不受把材料固溶度的限制，杂 质的面密度和掺杂深度精确可控，横向扩散小，大面积均匀性好，掺杂纯度高， 能够穿透一定的掩蔽膜，在化合物半导体工艺中有特殊意义。同时离子注入还可 应用于金属改性和加工，生物研究等领域。 3 3 离子注入设备离子注入设备 离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦体系统和靶室等组成。如 下图所示 1．离子源由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。通常 使用的有高频等离子源、电子振荡型等离子源（潘宁源） 、双等离子源等、双彭 源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。 2．加速器产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。 3．分析器离子分选器。离子源产生的离子束中往往有几种离子。用分析 器可以从这些离子中选择出所需要的。 磁分析器在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。磁场一定时离子在磁 场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。 让选中离子的偏转半径正好可以准 直地进入管道。 4．偏转扫描 离子注入机中应该保持高真空。实际上其中不可避免的有残留的气体分子， 离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。中性原子的能量、 电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。 偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场， 电场使其中的离子偏转进入 靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。从而去掉了中性粒子。 5．X,Y 扫描器 离子束束斑很小，一般只有微米量级。给离子束施加磁场或电场，使其在 X,Y 方向扫描。在靶上均匀扫描。 6．靶室 放置、取出样品。可以有给样品加温的装置。 4 4 实验内容实验内容 由小组四人合作完成以下内容由小组四人合作完成以下内容 （（a a））A 角的任务完成接收样品；用四探针法测量样品退火前后的薄层电 阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型。记录样品的注入条件；样品退 火前后的薄层电阻；退火前后样品的导电类型；上述活动中的现象。 （（b b））B 角的任务熟悉退火仪器的原理和操作；操作退火装置，完成样品 的退火；归置退火装置。B 角应该记录样品的退火条件；退火过程。 （（c c））C 角的任务练习在硅片上用铟制作欧姆接触，能够在正式样品上制 作出合格的欧姆接触。C 角应该记录上述活动的过程。 （（d d））D 角的任务熟悉霍尔测量的原理和装置；负责操作霍尔测量装置测 出样品的数据。D 角应该记录样品的薄层电阻；注入层载流子的面密度。 4 4．．1 1 四探针及冷热笔测量四探针及冷热笔测量 4.1.1 实验样品 P 型 Si 衬底上注 P。 注入条件 E20keV 、 D3*1014atom/cm2、 束流 10mA、 R P253、 ΔR P119 4.1.2 四探针法测量原理 四探针法是经常采用的一种测量半导体材料电阻率的方法，原理简单， 数据 处理简便。 优点在于探针与半导体样品之间不必要求制备合金电极，这样给测量 带来方便。 四探针法是用针距约为 1mm 的四根金属同时排 成一列压在平整的样品表面上， 如图所示， 其中最外 部二根（1、4 两探针）与恒定电流源连通，由于样 品中有恒电流 I 通过，所以将在探针 2、3 之间产生 压降 V。该电流 I、压降 V 与样品方阻 R □ 的关系为 R □ C V I 上式中 C 为修正因子， 它与样品的形状及四探针的位 置有关，探针确定以后，对一定形状的样品，C 就是一个常数。 对于厚度为 t s 的薄片样品，通常以方块电阻来估计电阻率的高低，两者之间有 如下简单关系 ρ R □ts 4.1.3 冷热笔测量原理 从统计物理的角度，可以将平衡状态下半导体看作一个等温、等容的系统。 其中载流子和电离原子实构成了一个电中性平衡系统。 近似可以将载流子看成近 独立的电子气或者是近独立的空穴气。当给半导体的一部分区域加热的时候，载 流子就会由高温区域向低温扩散。相当于给载流子系统施加了一个非静电力，这 个非静电力推动载流子在半导体内部由高温区域向低温区域运动。 由于载流子本 身带电， 于是就会在高温区域和低温区域之间形成电动势。如果这时在半导体高 温和低温之间连接闭合回路，则回路中就出现电流。通过上面的分析我们知道， 在半导体内部， 温度差永远是驱动载流子从高温端向低温端流动。 那么在外电路， 应该是载流子从低温端流向高温端。如果载流子主要是电子，在外电路就会有由 低温端到高温端的电子流，即外回路中的电流由高温端到低温端。如果载流子主 要是空穴，则外回路中的电流相反。 冷笔和热笔跟半导体接触，在冷热笔之间会有电流通过。通过冷热笔之间 的电流计显示的电流方向就可以判断半导体的导电类型。 4.1.4 实验步骤 退火前后冷热笔和四探针测量 1、清洗样品 1用酒精棉球轻轻擦洗样品表面。 2将样品用洗耳球吹干后夹出放在盛清水的烧杯里涮洗几秒钟。 3加一些水在一干净的塑料杯中。 4倒入少许（水的 1／10 到 1／5）氢氟酸。 5将样品夹着在里面涮 5 秒钟左右。 6取出吹干。 7将样品用洗耳球吹干后夹出放在盛清水的烧杯里涮洗几秒钟。 8取出吹干。 2、测量 1将热笔通电加热后断电。先将冷笔和样品接触。 2再用加热到足够温度的热笔点一下样品， 可以看到万用表数字变化。结合电 路连接判断出半导体的导电类型。 四探针测量 1．清洗硅片 2．检查仪器连接 3．抬高探头，取下探头保护套 4．将探头降低固定 5．放置样品 6．将探针压紧样品 7．调节电流，记录电流、电压数据 8．测量样品尺寸，确定修正因子 9．计算样品方块电阻 4.1.5 实验记录和数据处理 1、退火之前的冷热笔和四探针测量 冷热笔测量结果-70mV 说明载流子类型为 p 型 L1cm、a0.7cm C 取 4.0095 四探针数据如下表 VmV5.25.55.86.2平均 5.66 IμA30.0050.3560.4070.15平均 52.73 R □  C V 4.0095*5660/52.73430.4Ω I 2、退火之后的冷热笔和四探针测量 冷热比测量结果23mV 说明载流子类型为 n 型 四探针数据如下表 VmV3.84.85.76.7平均 5.25 IμA50.0060.1670.1380.13平均 65.11 V 4.0095*5250/65.11323.3Ω I 4.1.6 结果分析 R □