溝道效應

離子注入固體中，它與固體的原子發生碰撞，如果固體是無定形的，那么，組成固體的原子在空間是無規則分布的，因而離子與靶原子的碰撞是隨機的，碰撞參數P的大小是個隨機參數。如果固體是晶體，則原子在空間規則地排列著，離子沿晶體的主晶軸方向注入時，它們可能與晶格原子發生相類似的碰撞（碰撞參數P近似相等），各個碰撞互相有關，每次碰撞時，離子運動偏轉很小，離子經過晶格同一排原子附近，可以穿透入固體中較深的距離，這種現象稱為溝道現象

基本介紹

• 中文名：溝道效應
• 外文名：channeling effect
• 含義：離子注入固體可穿透入固體較深
• 套用：離子束注入

溝道效應含義及證明實驗

如下圖中的A所示。如果注入離子的半徑較小，它沿著敞開的晶體方向注入時，溝道效應更加顯著。矽的<100> 和<111> 晶向，溝道敞開約 ，容易接受半徑較小的離子（N、B、Al、Ga， P、As、Sb），矽的<110> 晶向，溝道敞開約 ，接受面積較大，它幾乎可以接受所有的離子，離子沿<110> 晶向注入，受到電子的作用較弱。

離子注入晶體的例子

如果注入的離子沿溝道方向運動，必須具有三個基本的條件：

第一，離子可以透過原子排之間敞開的溝道；

第二，必須有一個力作用在離子上，控制它朝溝道的中央運動;

第三，溝道離子必須是穩定的。

有兩類實驗可以證實存在溝道效應，第一類是，然後進入探測器進行計數，或者測量透射單晶片的電流。這類實驗的裝置示意圖如下圖所示。50keV的質子通過金的單晶薄片，進入測量電流的電極。圍繞著垂直單晶薄片表面的軸旋轉晶體，可以改變晶格的方向而不影響質子穿透單晶薄片的厚度，因而，測得的電流變化便反映出晶體結構的影響。

離子穿透單晶薄片進入探測電極的裝置示意圖

圖1.3示出了透射的離子電流隨晶體圍繞 軸旋轉角度θ的變化。

如果入射離子（質子）的能量較高，則可用矽面壘探測器直接測量透射質子的數目。在透射中，每個質子失去的能量，可以直接從計數的脈衝高度來測量，測量結果如圖1.4表示，A是入射質子束的譜，C是入射質子束未對準單晶矽晶軸的譜，B是入射質子束對準矽 面的譜，B譜分成兩個區域，即能量損失較小的尖峰（反常峰）和非對準情形中的正常峰，反常峰和溝道現象有關。正常峰是進入溝道的粒子，在單晶矽內運動到適當的位置變成退道引起的。另一類實驗是測量離子注入晶體後的射程分布，沿晶向注入，離子穿透較深，如圖1.5所示。

溝道效套用於確定雜質原子在晶格中的位置

雜質原子在晶格中的位置，對晶體的電學和光學等特性都有明顯的影響，因而可用電學和光學等方法對雜質原子定位。但是，這種測量通常是間接的，不能提供在晶體格位上雜質原子所占的比例。而利用溝道效應則可提供一種直接的測量方法，可確定上述比例。若再結合電學和光學性質的研究，則有可能最終解決各種類型的缺陷對離子注入層導電率的貢獻。這種方法已廣泛用於矽和鍺的研究。下面我們介紹背散射的溝道效應。核反應與感生X射線的溝道效應原理與之相同，此處不再贅述。

由於溝道粒子不能與晶體格位上的原子作用而產生近距事件，故定向譜的背散射產額比隨機譜顯著減小（可減小20~100倍）。讓我們來考慮金剛石型晶格的情況，大多數半導體晶體都是這種結構，下圖描繪了它的原子構型在 面上的投影。圖中陰影部分為“禁區”，在此區域內溝道粒子不能貫穿，非陰影部分為可通行區，即所謂“溝道”，此區域內溝道粒子可以通過。雜質原子可能有三種位置：

●為替代位置，位於<111> 、<110> 及<100>的原子列上；

▲為四面體間隙位置，位於<100>及<111>的原子列上，而不在<110>的原子列上；

X為任意間隙位置，不位於任何原子列。

金剛石{110}面上結構

當我們分別測量沿<111>、<110>及<100>晶向的定向譜時，由於X位置都在三個軸溝道內，對上述三種晶向的背散射產額都有貢獻，因而三個定向譜的產額都與隨機譜相同、都沒有方向效應；▲位置在<111>和<100>的原子列上而不在<110>的原子列上，故<111>和<100>定向譜與隨機譜相比其產額大大衰減而呈現方向效應，但<110>定向譜無衰減，即無方向效應；●位置的三個定向譜產額均顯著衰減，即都有方向效應。因此，如比較兩個以上不同晶向測量的定向譜和隨機譜，結合晶體結構的知識，即可判斷雜質原子在晶格中的位置。

溝道效套用於測量晶體的輻照損傷

如前所述，溝道粒子不能與晶格列上的原子作用而產生近距事件，但能與輻照損傷產生的偏離格位的位移原子作用，因此測量未注入和注入晶體的定向譜並與隨機譜比較，即可確定在離子注入的晶體中輻照損傷產生的無序量及其深度分布。

溝道束和隨機束

在考慮定向譜時，為方便起見，通常將束流分為“溝道束”和“隨機束”兩部分。前者由溝道粒子組成，後者由非溝道粒子組成，它們在晶體中運動的軌跡分別如上圖中（a）、（b）所示。事實上，即使一個完全對準的入射束（ψ=0），其中也只有95~99%的粒子為溝道束，另外還有可能與晶格原子作用的1~5%的粒子為隨機束。當溝道束進一步穿透晶體時，由於晶體的不完整性、晶格原子的熱振動以及原子核和核外電子引起的多次散射等原因，在散射角積累到大於臨界角後，即部分地轉變為隨機束，致使隨機束成分增加而溝道束成分減少。這個過程叫做“退溝道”或“消溝道”。為了確定輻照損傷的數量及其深度分布，必須測量三種背散射譜，即ψ=0時未注入的完美晶體和注入後的損傷晶體的定向譜，以及當 時的隨機譜。典型的背散射譜如下圖所示。

定向譜和隨機譜

溝道效應測量僅能給出輻照損傷產生的晶格缺陷的平均濃度，而不能肯定缺陷的類型，因此需要結合其他技術，如電子顯微鏡、電子共振等來研究。溝道效應測量計及所有位於晶軸禁止距（Thomas-Fermi禁止半徑）以外的所有原子，它不僅包括注入過程中產生的位移原子，而且還包括晶格中的任何局部畸變（注入時產生的晶格缺陷如雙空位的周圍可能產生這種畸變）產生的位移原子，因此測得的晶格無序量要比實際的位移原子數大些。套用背散射溝道效應測量晶格損傷不夠靈敏，它要求被測晶體中至少有1%的位移原子。若採用雙定向法，可將靈敏度提高一個數量級，即0.1%，相應於總的位移原子數從約2×10¹⁵原子/cm³（單定向）提高到約2×10¹⁴原子/cm³（雙定向）。此外，分析束採用質子和氦離子均可測量損傷。氦離子束的深度解析度較好，但退溝道量比質子大，故對薄的重損傷層傾向於使用氦離子束，而厚層樣品傾向於使用質子束。通常分析束採用較高的能量有利，這樣可減少退溝道量從而提高測量的靈敏度。

溝道效應測量晶格損傷已廣泛套用於離子注入半導體。近來離子注入工藝在國內外得到了很大的發展。在注入雜質的同時必然要產生大量的晶格損傷，人們用溝道效應來研究這些問題，例如晶格損傷的數量與離子注入劑量的關係、殘餘晶格損傷的數量與退火條件（退火時間、退火溫度及退火方式）的關係等。此外，溝道效應也可用來研究金屬、離子晶體等的晶格損傷，以及晶體無定形層的外延再生長等問題。