中科院近代物理研究所科研人员将320 kV高压平台提供的氦离子和氧离子联合注入单晶硅，研究氦离子注入所导致的氦泡和纳米空腔与氧原子的相互作用机理，获得进展。

实验中，科研人员首先向单晶硅中注入30 keV、3×10¹⁶/cm²的氦离子，然后将样品切成两块：一块做退火处理，退火温度为1073K，退火时间为30分钟；另外一块不做退火处理。实验清楚地表明：退火前样品内部存在高密度的氦泡。其截面透射电镜结果如图1所示。

科研人员将注氦后的样品再注入100 keV的氧离子，剂量为3×10¹⁶/cm²。再选择一块单晶硅，注入同样条件的氧离子。氧离子注入完成后，经高温退火处理 (1423K,3h和1473K,2h)，退火气氛为Ar/O₂ (100/10)。利用截面透射电镜研究了样品内部的微结构氧原子分布，发现氦、氧离子联合注入能够提高样品内部氧的含量，降低样品内部缺陷的密度，如图2和3所示。

这些研究表明：氦离子注入所导致的纳米气泡能够有效地捕获氧原子和硅间隙子，这为今后研究如何制备低缺陷密度的超薄silicon-on-insulator (SOI) 材料提供了重要参考数据。

研究结果发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B （269 (2011) 739-744）。

图1 30 keV，3×10¹⁶/cm²的氦离子注入单晶硅，退火前(a)和退火后(b)的截面电镜照片。可以清楚地看出退火前样品内部存在高密度的氦泡。

图2 (a) 注氦经退火再注氧；(b)注氦后直接注氧；(c)注氧的氧原子对深度分布

 

图3 (a) 注氦经退火再注氧；(b)注氦后直接注氧；(c)注氧的截面透射电镜照片（暗场像，箭头指向样品表面）