基本原理

• 热激发电子
• 撞击气体或者固体产生离子，使用磁场约束增大碰撞效率
• 质量筛选器进行离子筛选
• 直线高压电进行粒子加速
• 高能离子轰击样品完成注入

安全事项

人身安全

离子注入机主要的危险源为高压电和静电。高压区每次进入之前应该确认高压电处于关闭状态，并且进入的时候应该使用放电棒触碰源气箱和离子源的金属部分进行放电。低压区（特别是靶室）容易产生电荷积累，主要不要在离子束轰击靶室的时候触碰靶室外壳（比如观察束斑大小和位置的时候，换靶的时候）。

设备安全

• 长期不用的时候关闭电源。
• 规范操作，特别是大电压和大电流开启和关闭的时候要逐步进行。
• 长时间不用要时常对于内循环水进行循环。

基本操作

开机流程

• 检查S320进门的处的配电柜上三个灯是否亮起，亮起表示外部电源已经接入。再检查配电柜电箱内三个开关是否开启，如果没有开启按照从左到右的顺序开启。
  • 专用配电柜使用380V工业用电，控制整个离子注入机的电源。
• 打开空气压缩机，将空气压缩机处于I档位（中间） * 空气压缩机控制离子注入机中各个气缸的运动，比如法拉第杯的开合。
• 打开水冷机内部的空气开关，合上面板一次打开“泵”和“压缩机”。
• 打开主机的开关旋钮（旋至ON状态），在按下Machine On按钮。
• 打开电脑：在电脑后方显示器的柜子里面用钥匙打开主机箱门，打开电脑电源开关。
• 打开高压仓的门，依次按下S1和S3打开电源。
• 打开源气箱配电柜的柜门，将灯丝电源、偏置电源、弧电压电源的输出打开，按下相应的out按钮。
  • 按下out之后电脑才能接收到相应电源的电流电压信号。
• 打开高压配电柜的门，将磁场源和质量分析输出打开，按下相应的out按钮。
• 打开电脑桌面上的离子注入机控制软件。
• 在冷却系统选项卡中打开去离子水泵，开启水冷内循环。
• 在真空系统选项卡中一次打开粗抽空气泵和阀门：RP1，V1，RP2，V2，RP3，V3。
• 等待腔体中气压达到5（Pa）以下的时候，打开相应的分子泵：TP1，TP2。等待显示界面中腔体和分子泵都变味绿色，然后去低压配电柜中观察离子源区分子泵是否达到满转（24000转），再去高压区配电柜中观察粒子加速区的分子泵是否达到满转（36000转）。
• 在真空其他选项卡中打开阀门GV1，关闭V3，关闭RP3，等待腔体都变绿之后开启GV2，再等一段时间待腔体气压指示全部变绿。

打开高压系统并准备离子源

• 先高压部分的三个门都关好，观察关门指示灯变绿。按下HV ON按钮。
• 点击在软件辅助系统选项卡中的“电源使能”区域中的四个“打开”。
• 打开低压仓的门，将水平扫描电压正、水平扫描电压负、垂直扫描电压的电源打开，按下电源左上方的按钮，可能需要按两次，等待按钮变红。
• 在均匀性系统选项卡中选择ch340 debug子选项卡，然后在端口中选择COM6，点击打开。
• 在辅助系统选项卡中选择收起放电棒。
• 在束线系统选项卡中选择法拉第杯量程为1mA或者10mA。
  • 通常气态源到中间法拉第杯的电流大小为0.2mA，固态源为0.01mA。
• 在束线系统选项卡中，右边靶台区域先点击关闭通道，然后选择相应的量程，然后选择法拉第杯或者靶台，对于靶台区的束流进行测量。
  • 法拉第杯测量时需要将靶台旋转到“法拉第杯”处，它测定靶台正中间的束流。
  • 使用“靶台”进行测量时，靶台可以旋转至“测试靶1”、“测试靶2”或者“注入靶”处，它测定整个靶台流入到地电位上的电流。
  • 通常而言，到达靶台的束流为uA级别。
• 在气箱系统选项卡中打开气源的阀门，如果使用\(N_2\)气体就打开N处气体阀门，如果使用\(Ar\)就打开打开C处气源。
• 再次检查放电棒是否收起。
• 设定水平聚焦为4.5kV然后打开，再点击设定，确保聚焦电压的反馈值达到额定电压，下同。
• 设定垂直聚焦为4.5kV然后打开，再点击设定。
  • 经验上来说，如果离子能量为60keV，聚焦电压选择4.5kV，如果离子能量更高，聚焦电压也相应增高，反之亦然。
• 如果使用气态气源，使用如下方式打开气源
  • 在竖线系统选项卡中，将灯丝电流设定到20A，在依次缓慢加到40A、60A、80A、100A，每次加电压大约间隔10s，最后等待30s左右，以避免灯丝突然通过大电流而烧断。
  • 设定偏置电流为2A，等待偏置电流缓慢增长到设定值，期间可以缓慢调整灯丝电流至102A、104A、105A以提高偏置电流的增加速率。
  • 设定弧压至80V。
  • 设定气体流量为0.1~0.2左右。流量越大激发出的气体离子越多，流量是最主要的影响因素。
  • 设定源磁场为10A再缓慢增加到15A、20A。一般来说源磁场最多为40A。此时可以观察到弧压区显示的电流值超过1A，表示已经起弧。
• 如果使用固态气源，使用如下方式打开气源
  • 在气箱选项卡中打开氩气的阀门，并在束线系统选项卡中的气源选择为C。
  • 将灯丝电流设置为20A，然后慢慢加到100A。如果是刚刚更换过离子源，在这个阶段需要烘烤大约几分钟，等待离子源中的气体被释放出来，以免实验过程中真空被破坏。当内部真空度不好的时候，此阶段可能需要二十分钟左右。
  • 将弧压设置为80V，然后设置送气量为0.1，开始送气，期间可以适当缓慢增加灯丝电流到106A左右。
  • 将源磁场设置为10A，然后逐渐增加到30A左右，观察到弧流超过1A，表示已经起弧。
• 打开质量分析器，先设定电压为35V，然后设定电流为5A，然后再加到10A。
• 设置引出抑制电压为2kV，然后打开引出抑制。
• 先设置引出最大电流为15mA，然后打开引出电压，再设定电压为10kV，然后缓慢地每次增加10kV加到额定电压。电源标配为最大60kV，但一般说来引出电压不超过50kV。
• 调整质量分析器电流，使得质量分析数达到预定值。
• 调整气源区的各个参数使得法拉第杯处测得的束流达到理想值
  • 如果是气态气源，要想让束流变大，最显著的操作为增大气流量（需保证真空度在0.005以下）；其次为减小灯丝电流（需在90A以上，以免灭弧）或者增大源磁场（需在40A以下）；增大偏执电流也有一定的作用；也可以增大弧压，但是一般不对弧压进行调整。
  • 如果是固态气源，影响束流大小的最主要的参数是灯丝电流，灯丝电流越大，束流越大。增加源磁场大小对于增大离子束流量也有一定的作用。通过偏置区域下方显示的电流读数，可以初步判断固体源被电子轰击产生电子的大小。
  • 还可以调整引出z电极，一般来说最佳的z电极位置是一段范围，只要z电极位置能够让离子束通过即对束流强度的影响不大。打开引出z电极，调整好之后关闭电极电源。
• 设定加速抑制为2.5kV然后打开加速抑制。
• 设定加速最大电流为10mA，然后打开加速电压，设定电压为10kV，然后每次10kV的幅度增加到额定电压。加速电源和引出电源一样，最大加到50kV。
• 在管理选项卡中，在法拉第相关参数设置中选择“Da1：靶前抑制电源”，双击Value一栏，输入5000，点击确定。
• 设定靶前抑制电压为0.2kV然后打开。
• 软件会根据已经设定的参数算出X偏转电压的参考值，将参考值填写到X偏转电压值中。
  • 计算出来的参考值仅能保证离子束打在靶上，但并不一定是位于正中间；如果要求离子束打在靶的正中间，需要将接收靶换到法拉第杯的位置，然后使用X电压扫描来确定离子束打在正中间时的X电压值。
• 在法拉第杯区域点击“通过”放开法拉第杯，让离子束通过，测定离子束到靶时的束流大小。此时可以调大靶前抑制电压，如果束流不减小说明该靶前抑制电压已经能够把杂质离子过滤掉。
• 如果此时需要观察离子束打在法拉第杯上的位置和大小，可以关掉房间的灯和窗帘，然后进入低压靶室区观察。注意观察的时候，尽量不要触碰，避免触电。

注入及相关准备工作

• 在均匀性系统中，“通道”选择“靶台”，电压增量选择200V。
• x方向电压范围选择1到7500V（范围一般不超过9500V，如果第一次扫不到边界就再增大一点范围），点击X靶台采集（如果中间卡顿，点击“继续”），然后使用Alt+PrtScn截图并保存，在下方的x方向起始结束电压中填写相应的起始结束电压。（起始结束电压选择最早和最晚电压不为零的点）
• 同样，y方向电压范围选择-5000V到5000V，然后再进行和上一步同样的操作。
• 选择量程，为刚刚测试得到的束流大小对应的量程。然后点击“设定”。量程越小注入时的计量控制越精确。但是切勿使到靶束流超过量程。
• 回到束线系统选项卡中，在法拉第杯区域点击“采集”，使用法拉第杯挡住束流。
• 然后转动靶室区域的舵，将放有样品的靶放置在注入的位置上。
• 回到均匀性系统选项卡中，点击注入，开始注入。
  • 注入的时候束流大小显示并不是准确的，其范围大致在测量值结合过扫面积附近，其值的波动表示均匀性系统工作正常。

低剂量注入（曝光）及相关准备工作

• 在法拉第杯挡住束流的情况下，调整气源区的各个参数的值使得束流变小。
  • 对于气体气源的情况下来说，最直接的方法就是减小送气量，保证不要灭弧，如果灭弧之后需要将气源区所有电源关闭之后重新启动。
• 放开法拉第杯，调小水平聚焦，到靶台接收到离子束电流的值刚刚开始减小时，停止减小水平聚焦。
• 调大垂直聚焦，直到靶台接收到的离子束束流大小达到合适的小束流值（大约可以达到1uA）。
  • 调整小到一定的值之后，可以用法拉第杯挡住，然后换一个更小的量程，然后再进行测量，这样更准一些。
  • 也可以将垂直聚焦调整到负数，将束流直接发散，但是需要在低压配电柜区切换到Local模式下进行。
• 将X偏转电压设置为1，此时到靶台的离子束束流大小应该为小的噪声电流值。
• 回到均匀性系统选项卡，在“曝光”区域修改面积比为1（面积比为束斑面积和靶台面积的比值），电压增量改为3000V，时间间隔改为0.5ms。
• 点击“曝光”进行曝光，完成之后用法拉第杯挡住。如果还需要进行第二次曝光，则需要将X电压手动改为1，然后再打开法拉第杯，进行第二次曝光。

关闭离子注入机

• 先逐个关闭束线系统各个电源，大致按照开启顺序逆序进行，但是最先减弱灯丝电流。如果是大电压（10kV以上）或者大电流（10A以上）需要按照10kV或者10A的间隔逐渐减弱，然后关闭。
• 束线系统关闭完成之后，关闭气箱选项卡中的气阀。
• 按下HV OFF，关闭高压区电源。
• 在真空系统选项卡中，先关闭GV1、GV2阀门，然后关闭分子泵TP1、TP2，等待两个分子泵都停转之后，再关闭V1、V2、RP1、RP2。
• 在水冷系统中关闭水冷循环泵。
• 在高压舱中按下S4，然后再按下S2，关闭高压区电源。
• 关闭软件和电脑。
• 按下Machine OFF，再关闭总开关。
• 关闭压缩机、关闭泵、关闭水冷机总开关。
• 关闭空气压缩机、关闭但奇缘。
• 如果之后长期不适用离子注入机，按照从右至左的顺序关闭总电源。

维护

维护的过程中请戴橡胶手套，以免污染离子源。

换离子源

• 更换之前，先在软件操作界面对离子源区进行充氮气。
• 打开离子源外的塑料透明面板，取下离子源上的所有连线：灯丝电线、偏置电线、弧压电线、水冷水管。
• 抽出离子源（注意，它很重），注意离子源连接处的栓不要弄掉了。
• 然后将离子源倒放在桌子上，将连接处的栓放置到要换上的离子源上。
• 用电表检测一下要换上的离子源各部分是否正常。
• 在离子源连接部分用蘸酒精的纸擦干净，装上离子源，然后连接好电线和水冷水管。

拆离子源

• 先将固定离子源顶盖的四根弹簧卸下，注意用手按住顶盖，以免弹飞。
• 如果仅仅只是更换固态离子源或者灯丝，就可在此步骤更换。换灯丝的时候使用离子源区放置的工具。
• 更换之后，使用电表测定各个应导通的部分是否导通；不应该导通的部分是否断路。

更换光阑

• 更换之前，先在软件操作界面对束线区进行充氮气。
• 在软件上法拉第杯选择到“通过”状态。
• 拧下面板上的螺丝钉，拧下固定光阑的螺丝钉，然后取出光阑，更换，然后放回。注意放回的时候不要将光阑放反了，否则会撞到法拉第杯。

更换气瓶

• 关闭气门阀门，断开阀门的连接接口，更换气瓶，连接好，打开气瓶的阀门。

更换真空计

• 断开原真空计上的连线.
• 先在相应区域中充一些氮气，直至真空计可以取下，停止充氮气。
• 取下真空计，更换，然后连好连线。更换之前可以观察一下新的真空计灯丝是否损坏。
• 抽真空，观察真空计读数是否正常，以确定真空计正常工作。