（中科院上海冶金研究所）

离子束材料表面改性和合成是一门由核物理、材料科学、凝聚态物理、微电子等学科交叉而发展起来的边缘学科。它的兴起和发展为新材料合成以及材料科学和凝聚态物理中微过程与机制的研究开辟了一条新的途径。

离子注入在半导体工业中的成功吸引了为数众多的原先从事核物理、材料科学、表面物理等科学研究的学者，逐渐形成离子束材料改性及合成这一边缘交叉学科，并将其研究领域迅速拓展到金属、陶瓷、高分子聚合物乃至生命体。目前国际上众多的著名大学及研究所均设有离子束研究实验室。离子束领域的国际学术活动十分活跃，其中大型会议主要有：每两年召开一次的离子束材料改性会议（IBM），离子注入技术会议（CIT），金属材料表面离子束改性会议（MINIBUS）等。在美国材料研究学会年会（MRS）中，第一个分会即为载能束与固体的相互作用。其他多个分会中，也有不少涉及离子束材料合成及改性的研究内容。

离子束科学中有三个方面的发展趋势已引起人们的重视。

1.离子束材料合成

离子束材料合成主要是指用离子注入、离子束辅助沉积、离子团簇沉积及磁过滤弧沉积等方法合成新型薄膜、薄层微结构材料、功能梯度材料、具有智能倾向的功能材料以及各种埋层材料。就学术意义而言，这方面的工作开拓了材料科学中的一个新的研究领域，同时离子束材料合成具有很高的应用价值。

1987年，美国学者首次预言了β-C₃N₄人工合成的可能性，并预言其硬度可能超过金刚石薄膜。目前，探索这种材料的人工合成在世界范围内引起广泛兴趣。这种材料的合成对传统的材料科学是一种突破。迄今为止，在已观察到的β-C₃N₄相存在的合成方法中，最主要的是离子束辅助沉积的合成方法。同样，对于超硬的3C-BN、DLC等亚稳态结构薄膜的合成，离子束技术也发挥了极重要的作用。

用不同种类的气体离子或金属离子注入硅半导体晶体，可以形成各种绝缘埋层或导电埋层，如SiO₂、Si₃N₄、CoSi₂、SiC等。其中SiO₂材料已在微电子工业中获得商业性应用。据预测，到本世纪末，这种材料将被作为CMOS器件生产用片基材料之一而大规模走向产业化，2000年时年需量约为600万片。合成SiO₂SOI材料有离子注入、覆片、激光再结晶等多种方法。但迄今为止，最为成功并已达到商业应用的是离子注入合成的方法。

此外，离子束技术在新型敏感材料、智能材料、人工仿生材料等的合成中也发挥了极重要的作用。

2.用离子注入研究材料科学和凝聚态物理中的新问题、新现象

80年代以来，高温超导体、富勒烯、多孔材料、纳米材料的研究相继成为材料科学及凝聚态物理的热点。大K的有关合成机制、微结构、性能等方面的基本问题对传统理论的发展提供了契机。因此发展新的手段对上述材料进行研究受到各国学者极大重视。用离子注入的方法在这类材料中引入高密度的局域性的能量沉积及掺杂元素，改变其微结构及性能，是深入认识这些材料的合成机理、开拓其应用领域的有效手段。这方面的研究目前已获得了十分有意义的结果。

不同种类、不同能量离子对YBCO高温超导体的轰击可改变其外延取向、零电阻温度等，这对改善高温超导薄膜的性能、进一步了解超导机制提供了参考。大剂量轰击下，超导薄膜的电阻率将呈超导体-半导体-绝缘体方向变化。这种现象提供了超导薄膜器件制作中利用离子束技术制备图形的可能性。在富勒烯球体结构中放入其他元素而使其产生新的物理和化学现象，是目前研究者十分向往的。离子注入对这方而的研究工作提供了一种可行的技术手段，利用高能离子的轰击作用，可制得在一定程度上可控晶粒的纳米薄膜，提供了一种制备高致密度、与衬底有高结合力的纳米晶薄膜的新方法。研究离子注入了对多孔硅发光现象（诸如发光强度、波长等）的影响是了解发光机制、制备新型发光多孔硅材料的有效途径。目前的研究成果已初步提示，利用离子注入掺杂已可获得发蓝光的多孔硅材料。多孔材料，尤其是多孔薄膜材料由于其极广的应用前景及商业价值，近几年来的研究工作极受重视。利用高能离子注入制备高分子聚合物多孔膜是材料改性领域内新的研究方向之一。利用离子束与聚合物作用的特点，可望使多孔膜在气体分离中对选择性及透过率实现良好的控制。此外，稀土离子的注入是一种引入人工发光中心的有效途径，如Er⁺离子注入可获得发蓝光的硅基新型光电材料。硅基光电材料的重要应用价值是其具有良好的VLSI工艺的相容性。用离子束技术研究材料科学中新现象的另一个方面是探索合成材料在远离平衡态时的相变机制及规律，如非晶化及分凝现象等。生命体的离子束作用、生命体中的金属离子注入研究以及生物医用工程材料的离子束表面优化、改善材料的血液相容性和生物相容性，是离子束科学中的一个新的领域。现有的结果已表明，经离子束辐照的作物种子，播种后收获有明显的提高。医用工程材料研究中，植入物如人工心脏瓣膜抗凝血性一直是未能很好解决的难题，离子束表面改性可望对此发挥作用。离子束辐照使质粒DNA断键的研究，可以使人们在分子水平上研究微生物的辐照诱变效应及其机理。

3.离子束技术的应用及发展研究

离子束材料改性及合成是一门应用背景较强的学科。用离子束辅助沉积、离子团簇沉积等离子束合成方法合成光学、电学、硬质薄膜已在仪器、微电子、玻璃、军工等产业中获得应用。其应用及开发研究的近期目标主要是：

（1）重离子注入：重离子注入主要是指金属或稀土离子注入。除了重离子掺杂外，在半导体工业中可望用金属离子注入的方法获得硅化物层。稀土离子注入是获得新型光电及光波导材料的一种可行的途径。真空电子工业中，材料表面的电子发射性能是行波管及其他一些真空器件以及近年来发展起来的微电子真空器件制造中的重要问题。Cr、Hf、Y、Zr等离子的注入可明显改善表面的电子发射性能，提高使用寿命。与普通方法相比，此种方法更简单可靠。重离子注入在改善金属材料的耐磨、抗腐蚀、抗疲劳性能等方面的应用也取得了较好的进展。人工关节等医用材料的离子注入改性已实现临床应用。目前，人工心脏瓣膜的离子注入改性已进行。

（2）高能离子注入：高能离子注入是指离子能量高达兆电子伏特甚至数十兆电子伏特的离子注入技术。在硅材料中，用2MeV的P⁺离子注入，注入深度即可达数微米。利用高能注入可能形成倒阱，以减小漏电路和锁闭敏感性；制作n⁺栅或p⁺埋层，或用来作为多维立体结构器件的深层掺杂。高能注入制作倒阱已在亚微米的CMOS电路中获得应用。高能离子注入在化合物半导体，如GaAs或InP中制作隔离区或深层掺杂也是一个引人注目的应用领域。利用高能注入制备聚合物多孔膜是一项有商业前景的应用研究项目，这类薄膜可应用于药物的释放及气体的分离。

（3）强流注入：将硅单晶在高于600℃的温度下，注入高剂量的0⁺离子，然后在1300℃以上的高温下退火，获得晶格完整性良好的单晶硅表层和Sio_ux，绝缘埋层。这种强流注入合成SOI材料的方法称为SIMOX埋层技术。形成绝缘埋层的方法有许多种，如激光再结晶、覆片技术等，单离子注入合成的SIMOX技术是迄今最为成功的。近年来SIMOX材料已被成功地应用于研制高速SIMOX大规模集成电路以及抗辐照器件。美国、日本等国的SIMOX技术正在走向大规模的工业化应用。与SIMOX相关的另一类埋层技术是硅单晶中的金属硅化物埋层技术，如通过大剂量Co⁺离子的注入形成CoSi₂导电层。CoSi₂因与硅的晶格失配较小而可实现单晶外延。金属硅化物埋层可在金属基晶体管等器件中得到应用，或作为大规模集成电路低阻的接触层或连线。

（4）全方位离子注入：全方位离子注入也称浸没式离子注入。它与常规离子注入的区别主要在于待注入的工件被置于等离子体内，工件加负偏压后，围绕靶形成等离子体鞘层，然后通过脉冲电压使离子全方位轰击工件。这种注入方式克服了常规离子注入视线性加工的不足，对于复杂工件的离子注入，如人工关节等有较好的应用前景。

新材料的设计与合成是21世纪高技术发展中的一个重要领域，而离子束合成及表面改性将在这一领域发挥重要作用。材料表面改性已从半导体、金属拓宽到陶瓷、高分子聚合物、超导体和生命体等，这必将导致一批性质特异的新型功能材料的涌现。把握材料科学发展的这一趋势，开拓新思想，发展新技术是推动我国离子束科学发展的一个重要方面。