Іонна імплантація: поняття, принцип роботи, методи, призначення і застосування

Іонна імплантація-це низькотемпературний процес, за допомогою якого компоненти одного елемента прискорюються в тверду поверхню пластини, тим самим змінюючи фізичні, хімічні або електричні її властивості. Даний спосіб використовується у виробництві напівпровідникових приладів і в обробці металів, а також в дослідженнях матеріалознавства. Компоненти можуть змінювати елементний склад пластини, якщо вони зупиняються і залишаються в ній. Іонна імплантація також викликає хімічні та фізичні зміни, коли атоми стикаються з ціллю при високій енергії. Кристалічна структура пластини може бути пошкоджена або навіть знищена енергетичними каскадами зіткнень, і частинки досить високої енергії (10 МеВ) можуть викликати ядерну трансмутацію.

Загальний принцип установки іонної імплантації

Обладнання зазвичай складається з джерела, де утворюються атоми бажаного елемента, прискорювача, де вони електростатично прискорюються до високої енергії, і камери-мішені, де вони стикаються з ціллю, яка є матеріалом. Таким чином, даний процес-це окремий випадок випромінювання частинок. Кожен іон, як правило, є окремим атомом або молекулою, і, отже, фактична кількість матеріалу, імплантованого в мішень, є інтегралом у часі іонного струму. Це число називається дозою. Струми, що подаються імплантатами, зазвичай невеликі (мікроампери), а отже, кількість, яку можна імплантувати за розумний час, невелика. Тому іонна імплантація знаходить застосування в тих випадках, коли кількість необхідних хімічних змін невелика.

Типові енергії іонів знаходяться в діапазоні від 10 до 500 КЕВ (від 1600 до 80000 аДж). Можна використовувати іонну імплантацію при низьких енергіях в діапазоні від 1 до 10 КЕВ (від 160 до 1600 аДж), але при цьому проникнення становить всього кілька нанометрів або менше. Потужність нижче цього призводить до дуже незначного пошкодження цілі і потрапляє під позначення іонного пучкового осадження. І також можна використовувати більш високі енергії: поширені прискорювачі, здатні до 5 МЕВ (800 000 аДж). Тим не менш, часто завдається велика структурна шкода цілі, і оскільки розподіл глибини широкий (пік Брегга), чиста зміна складу в будь-якій точці цілі буде невеликою.

Енергія іонів, а також різні види атомів і склад мішені визначають глибину проникнення частинок в тверде тіло. Моноенергетичний іонний промінь зазвичай має широкий розподіл глибини. Середнє проникнення називається діапазоном. У типових умовах він буде між 10 нанометрами і 1 мікрометром. Таким чином, низькоенергетична іонна імплантація особливо корисна в тих випадках, коли бажано, щоб хімічна або структурна зміна була поблизу поверхні мішені. Частинки поступово втрачають свою енергію при проходженні через тверде тіло, як від випадкових зіткнень з атомами-мішенями (які викликають різкі перенесення енергії), так і від легкого гальмування від перекриття електронних орбіталей, що є безперервним процесом. Втрата енергії іонів у мішені називається зупинкою і може бути змодельована методом іонної імплантації наближення бінарних зіткнень.

Прискорювальні системи зазвичай поділяються на середній струм, високий, велику енергію і дуже значну дозу.

Всі різновиди конструкцій пучків іонної імплантації містять певні загальні групи функціональних компонентів. Розглянемо приклади. Перші фізичні та фізико-хімічні основи іонної імплантації включають пристрій, відомий як джерело для генерування частинок. Даний прилад тісно пов`язаний зі зміщеними електродами для вилучення атомів в лінію пучка і найчастіше з деякими засобами вибору конкретних видів для транспорту в головну секцію прискорювача. Обрання "маси" часто супроводжується проходженням виведеного іонного пучка через область магнітного поля з вихідним шляхом, обмеженим блокуючими отворами або "щілинами", які допускають тільки іони з певним значенням добутку маси і швидкості. Якщо поверхня мішені більше діаметра іонного пучка і бажано рівномірніше розподілена імплантована доза по ній, то використовується деяка комбінація сканування променя і руху пластини. Нарешті, ціль поєднується з деяким способом збору накопиченого заряду імплантованих іонів, так що доза, що доставляється, може вимірюватися безперервно і процес зупиняється на бажаному рівні.

Застосування у виробництві напівпровідникових приладів

Легування бором, фосфором або миш`яком є поширеним застосуванням даного процесу. При іонній імплантації напівпровідників кожен атом допанта може створювати носій заряду після відпалу. Можна спорудити дірку для легуючої домішки р-типу і електрон n-типу. Це змінює провідність напівпровідника в його околиці. Техніка використовується, наприклад, для регулювання порогу MOSFET.

Іонна імплантація була розроблена як метод отримання pn-переходу фотоелектричних пристроїв наприкінці 1970-х-на початку 1980-х років разом із використанням імпульсного електронного пучка для швидкого відпалу, хоча до цього часу вона не застосовувалася для комерційного виробництва.

Кремній на ізоляторі

Одним з відомих способів отримання даного матеріалу на підкладках діелектрика (SOI) зі звичайних кремнієвих підкладок є процес SIMOX (розділення за допомогою імплантації кисню), в якому засипане повітря з високою дозою перетворюється в оксид кремнію завдяки процесу високотемпературного відпалу.

Мезотаксия

Це термін для зростання кристалографічно відповідної фази під поверхнею основного кристала. У цьому процесі іони імплантуються з достатньо високою енергією і дозою в матеріал для створення шару другої фази, а температура регулюється таким чином, щоб структура мішені не руйнувалася. Кристалічна орієнтація шару може бути спроектована так, щоб відповідати цілі, навіть якщо точна Константа решітки може сильно відрізнятися. Наприклад, після імплантації іонів нікелю в Кремнієву пластину можна вирощувати шар силіциду, в якому орієнтація кристалів збігається зі значеннями кремнію.

Застосування в металевій обробці

Азот або інші іони можуть бути імплантовані в мішень з інструментальної сталі (наприклад, Свердла). Структурна зміна провокує поверхневе стиснення в матеріалі, що запобігає поширенню тріщин і, таким чином, робить його більш стійким до руйнування.

Оздоблення поверхні

У деяких застосуваннях, наприклад для протезів, таких як штучні суглоби, бажано мати мету, дуже стійку і до хімічної корозії, і до зносу через тертя. Іонна імплантація використовується для конструювання поверхонь таких пристроїв для більш надійної роботи. Як і у випадку з інструментальними сталями, модифікація цілі, викликана іонною імплантацією, включає як поверхневе стиснення, яке запобігає поширенню тріщин, так і легування, щоб зробити її більш хімічно стійкою до корозії.

Інші додатки

Імплантація може бути використана для досягнення змішування іонних пучків, тобто блендирования атомів різних елементів на межі розділу. Це може бути корисним для досягнення градуйованих поверхонь або посилення адгезії між шарами незмішуваних матеріалів.

Формування наночастинок

Іонна імплантація може бути використана для індукції нанорозмірних матеріалів в оксидах, таких як сапфір і діоксид кремнію. Атоми можуть утворюватися осадженням або утворенням змішаних речовин, які містять як імплантований іоном елемент, так і підкладку.

Типові енергії іонного пучка, що використовуються для отримання наночастинок, знаходяться в діапазоні від 50 до 150 КЕВ, а флюенс іонів — від 10-16 до 10-18 кв. см. Може бути сформована велика різноманітність матеріалів з розмірами від 1 нм до 20 нм і з композиціями, які можуть містити імплантовані частинки, комбінації, які складаються виключно з катіону, пов`язаного з субстратом.

Речовини на основі діелектриків, такі як сапфір, які містять дисперсні наночастинки іонної імплантації металів, є перспективними матеріалами для оптоелектроніки та нелінійної оптики.

Проблема

Кожен окремий іон виробляє багато точкових дефектів у цільовому кристалі при ударі або введенні. Вакансії - це точки решітки, не зайняті атомом: в цьому випадку іон стикається з атомом-мішенню, що призводить до передачі значної кількості енергії йому, так що він залишає свою ділянку. Цей цільовий об`єкт сам стає снарядом в твердому тілі і може викликати послідовні зіткнення. Міжвузля виникають, коли такі частинки зупиняються в твердому тілі, але не знаходять вільного місця в решітці для проживання. Ці точкові дефекти при іонній імплантації можуть мігрувати і кластеризуватися один з одним, що призводить до утворення дислокаційних петель та інших проблем.

Аморфізація

Кількість кристалографічного пошкодження може бути достатньою для повного переходу поверхні мішені, тобто вона повинна стати аморфною твердою речовиною. У деяких випадках повна аморфізація мішені є кращою, ніж кристал з високим ступенем дефектності: така плівка може повторно рости при більш низькій температурі, ніж потрібно для відпалу сильно пошкодженого кристала. Аморфізація підкладки може відбуватися в результаті зміни променя. Наприклад, при імплантації іонів ітрію в сапфір при енергії пучка 150 КЕВ до флюенсу 5 * 10-16 Y + / кв. см утворюється склоподібний шар товщиною приблизно 110 нм, виміряний із зовнішньої поверхні.

Розпилення

Деякі з подій зіткнення призводять до того, що атоми викидаються з поверхні, і, таким чином, іонна імплантація буде повільно витравлювати поверхню. Ефект помітний лише для дуже великих доз.

Іонний канал

Якщо до мішені прикладена кристалографічна структура, особливо в напівпровідникових підкладках, де вона більш відкрита, то конкретні напрямки зупиняють набагато менше, ніж інші. Результатом є те, що радіус дії іона може бути набагато більшим, якщо він рухається точно вздовж певного слідування, наприклад у кремнії та інших кубічних матеріалах алмазу. Цей ефект називається іонним каналюванням, і, як і всі подібні ефекти, дуже нелінійні, з невеликими відхиленнями від ідеальної орієнтації, що призводить до значних відмінностей у глибині імплантації. З цієї причини більшість виконується на кілька градусів поза віссю, де крихітні помилки вирівнювання матимуть більш передбачувані ефекти.