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： E=20keV 、 D=3*1014atom/cm2、 束流 10mA、 R P=253、 ΔR P=119 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 L=1cm、a=0.7cm C 取 4.0095 四探针数据如下表: V(mV)5.25.55.86.2平均 5.66 I(μA)30.0050.3560.4070.15平均 52.73 R □  C V =4.0095*5660/52.73=430.4Ω 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: V(mV)3.84.85.76.7平均 5.25 I(μA)50.0060.1670.1380.13平均 65.11 V =4.0095*5250/65.11=323.3Ω I 4.1.6 结果分析： R □