He和H离子注入Si基材料引起的表面剥离及机理研究

采用He和H离子联合注入到三类单晶Si片(纯单晶Si、含氧化层和含氮化层的单晶Si)中，一方面借助于扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)定量地研究联合注入引起的表面损伤效应及其对注入和热处理参数的依赖规律，另一方面使用透射电子显微镜(TEM)、可变能量的正电子湮灭谱仪(PAS)、二次离子质谱仪(SIMS)和双晶X射线衍射仪(XRD)等详细地分析注入产生的微观缺陷、气体原子分布及应力变化，从实验上揭示Si基材料中气体离子注入产生的微观缺陷与宏观表面损伤效应间的内在联系，进而探讨Si基材料中轻气体离子注入诱发表面剥离的微观机理。该研究不仅有助于深化认识气体离子与Si基材料相互作用的最基本过程，而且对于轻气体离子注入在现代Si半导体技术及新型功能复合材料制备中的实际应用奠定实验和理论基础。

在本项目中，利用气体离子单独或联合注入单晶Si、含SiO2或Si3N4表面绝缘层的单晶Si三类Si基材料，一方面借助于扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)详细地研究了注入引起的表面损伤产生及其热演变规律，同时，借助于横截面试样透射电子显微镜(XTEM)、微区拉曼散射(RM)及可变能量的正电子湮灭谱仪(SPAT)等技术重点研究了典型注入及热处理条件下微观缺陷的结构和热演变规律，建立Si基材料表面损伤产生与微观缺陷演变之间的内在联系。通过实验研究，取得了以下具有创新性的研究成果：(1)在He和H离子联合注入的Si3N4/Si材料上首次观测到了分别对应于表面Si3N4层和注入Si层的两层表面损伤，基于微观缺陷的分析，揭示了两层表面剥离产生的微观机制；(2)在He和H离子联合注入及高温退火的SiO2/Si材料的表面SiO2层中观测到了3-5 nmSi纳米晶的形成，并测试到了与Si纳米晶形成密切相关的紫外发光信号，提出了联合注入下Si纳米晶形成的机制；（3）在He和H联合注入的单晶Si中，发现了与H能量密切依赖的不同表面剥离行为；(4)在N离子单独注入及N和H离子联合注入的单晶Si中均观测到了两层损伤带的形成，根据微观缺陷的定量分析结果，合理地解释了两层损伤带形成的原因；(5)在B和H离子联合注入的单晶Si中发现了 (111)取向的H板状缺陷向(100) 取向H板状缺陷转化及(100)板状缺陷择优生长的现象，推进了对B和H离子联合注入单晶Si表面增强剥离效应机制的认识；(6)通过Zn离子注入结合He泡形成及热氧化过程在单晶Si中首次合成尺寸较为均匀的、光学性能优异的ZnO纳米颗粒。以上研究成果为认识气体离子注入Si基材料表面损伤产生的规律、微观机制及其在现代Si技术和复合材料制备中的应用提供了实验和理论依据。另外，作为课题的延伸，本项目还开展了金属离子注入单晶Si和SiO2纳米颗粒合成，光学性质调控方面的实验和理论研究，获得了较好的阶段性研究成果，为深入开展该方面的实验和理论研究奠定了坚实的基础。. 项目研究完成了预期的研究目标，且通过项目的实施，发表标注的SCI论文12篇，参加国际学术会议三个，提交会议论文7篇。培养毕业博士生3名，硕士生5名。