Ионная имплантация

Материал и химический процесс, используемый для изменения свойств объекта

Система ионной имплантации в LAAS технологический объект в Тулузе, Франция.

Ионная имплантация - это низкотемпературный процесс, с помощью которого ионы одного элемента ускоряются в твердую мишень, тем самым изменяя физические, химические или электрические свойства цели. Ионная имплантация используется в производстве полупроводниковых устройств и в отделке металлов, а также в материаловедении исследованиях. Ионы могут изменять элементный состав мишени (если ионы отличаются по составу от мишени), если они останавливаются и остаются в мишени. Ионная имплантация также вызывает химические и физические изменения, когда ионы сталкиваются с мишенью с высокой энергией. Кристаллическая структура мишени может быть повреждена или даже разрушена энергетическими каскадами столкновений, а ионы достаточно высокой энергии (десятки МэВ) могут вызвать ядерную трансмутацию.

• 1 Общий принцип
• 2 Применение в производстве полупроводниковых приборов
  • 2.1 Легирование
  • 2.2 Кремний на изоляторе
  • 2.3 Мезотаксия
• 3 Применение в отделке металлов
  • 3.1 Закалка инструментальной стали
  • 3.2 Обработка поверхности
• 4 Другие применения
  • 4.1 Смешивание ионных пучков
  • 4.2 Формирование наночастиц, вызванное ионной имплантацией
• 5 Проблемы с ионной имплантацией
  • 5.1 Кристаллографические повреждения
  • 5.2 Восстановление после повреждений
  • 5.3 Аморфизация
  • 5.4 Распыление
  • 5.5 Ионный канал
• 6 Безопасность
  • 6.1 Опасные материалы
  • 6.2 Высокое напряжение и ускорители частиц
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Внешнее ссылки

Установка для ионной имплантации с масс-сепаратором

Оборудование для ионной имплантации обычно состоит из источника ионов, где производятся ионы желаемого элемента, ускоритель, где ионы электростатически ускоряются до высокой энергии, и целевую камеру, где ионы падают на цель, которая является материалом быть имплантированным. Таким образом, ионная имплантация - это частный случай излучения частиц. Каждый ион обычно представляет собой отдельный атом или молекулу, и, таким образом, фактическое количество материала, имплантированного в мишень, представляет собой интеграл ионного тока во времени. Это количество называется дозой. Токи, подаваемые имплантатами, обычно невелики (микроампера), и поэтому доза, которую можно имплантировать за разумный промежуток времени, мала. Таким образом, ионная имплантация находит применение в тех случаях, когда требуется небольшое химическое изменение.

Типичные энергии ионов находятся в диапазоне от 10 до 500 кэВ (от 1600 до 80000 аДж). Можно использовать энергии в диапазоне от 1 до 10 кэВ (от 160 до 1600 аДж), но в результате проникающая способность составляет всего несколько нанометров или меньше. Энергии ниже этой приводят к очень небольшому повреждению мишени и подпадают под обозначение ионно-лучевое осаждение. Могут быть использованы и более высокие энергии: обычно используются ускорители мощностью 5 МэВ (800 000 аДж). Однако часто имеется большое структурное повреждение цели, и поскольку распределение по глубине широкое (пик Брэгга ), чистое изменение состава в любой точке цели будет небольшим.

Энергия ионов, а также их разновидность и состав мишени определяют глубину проникновения ионов в твердое тело: пучок моноэнергетических ионов обычно имеет широкое распределение по глубине. Средняя глубина проникновения называется пробегом ионов. В типичных условиях диапазон ионов составляет от 10 нанометров до 1 микрометра. Таким образом, ионная имплантация особенно полезна в случаях, когда требуется, чтобы химические или структурные изменения происходили вблизи поверхности мишени. Ионы постепенно теряют свою энергию по мере прохождения через твердое тело, как из-за случайных столкновений с атомами мишени (которые вызывают резкую передачу энергии), так и из-за легкого сопротивления из-за перекрытия электронных орбиталей, что является непрерывным процессом. Потеря ионной энергии в мишени называется остановкой и может быть смоделирована с помощью метода приближения двойных столкновений.

Ускорительные системы для ионной имплантации обычно подразделяются на среднеточные (токи ионного пучка от 10 мкА до ~ 2 мА), сильноточные (токи ионного пучка до ~ 30 мА), высокоэнергетические (энергия ионов выше 200 кэВ и до 10 МэВ), и очень высокой дозы (эффективный имплантат с дозой более 10 ион / см).

Все разновидности конструкций пучка ионной имплантации содержат определенные общие группы функциональных компонентов (см. изображение). Первый основной сегмент ионного пучка включает устройство, известное как ионный источник, для генерации ионных частиц. Источник тесно связан с смещенными электродами для вывода ионов в канал пучка и, чаще всего, с некоторыми средствами выбора конкретных видов ионов для транспортировки в главную секцию ускорителя. Выбор «массы» часто сопровождается прохождением выведенного ионного пучка через область магнитного поля с выходным путем, ограниченным блокирующими отверстиями или «щелями», которые пропускают только ионы с определенным значением произведения массы и скорости / зарядить, чтобы продолжить движение по лучу. Если поверхность мишени больше диаметра ионного пучка и желательно равномерное распределение имплантированной дозы по поверхности мишени, то используется некоторая комбинация сканирования луча и движения пластины. Наконец, имплантированная поверхность сочетается с некоторым методом сбора накопленного заряда имплантированных ионов, так что доставляемая доза может быть измерена непрерывно, а процесс имплантации остановлен при желаемом уровне дозы.

Легирование

Легирование полупроводников бором, фосфором или мышьяком - обычное применение ионной имплантации. При имплантации в полупроводник каждый атом легирующей примеси может создавать носитель заряда в полупроводнике после отжига. дырка может быть создана для легирующей примеси p-типа и электрон для легирующей примеси n-типа. Это изменяет проводимость полупроводника в непосредственной близости от него. Этот метод используется, например, для регулировки порога MOSFET..

Ионная имплантация была разработана как метод создания pn-перехода фотоэлектрических устройств в конце 1970-х и начале 1980-х годов, наряду с использованием импульсных -электронный пучок для быстрого отжига, хотя до настоящего времени не использовался в промышленном производстве.

Кремний на изоляторе

Одним из известных методов изготовления подложек кремния на изоляторе (SOI) из обычных кремниевых подложек является процесс SIMOX (разделение путем имплантации кислорода), в котором Закопанный имплантат с высокой дозой кислорода превращается в оксид кремния с помощью процесса высокотемпературного отжига.

Мезотаксия

Мезотаксия - это термин, обозначающий рост кристаллографически согласованной фазы под поверхностью основного кристалла (сравните с эпитаксией, которая представляет собой рост согласованной фаза на поверхности подложки). В этом процессе ионы имплантируются с достаточно высокой энергией и дозой в материал для создания слоя второй фазы, а температура регулируется так, чтобы не разрушалась кристаллическая структура мишени. Кристаллическую ориентацию слоя можно спроектировать так, чтобы она соответствовала ориентации мишени, даже если точная кристаллическая структура и постоянная решетки могут сильно отличаться. Например, после имплантации ионов никеля в кремниевую пластину может быть выращен слой силицида никеля, в котором ориентация кристаллов силицида совпадает с ориентацией кристаллов кремния.

Закалка инструментальной стали

Азот или другие ионы могут быть имплантированы в мишень из инструментальной стали (например, сверла). Структурное изменение, вызванное имплантацией, вызывает сжатие поверхности стали, что предотвращает распространение трещин и, таким образом, делает материал более устойчивым к разрушению. Химическое изменение также может сделать инструмент более устойчивым к коррозии.

Обработка поверхности

В некоторых применениях, например в протезных устройствах, таких как искусственные суставы, желательно иметь поверхности, очень устойчивые как к химической коррозии, так и к износу из-за трения. Ионная имплантация используется в таких случаях для создания поверхностей таких устройств для более надежной работы. Как и в случае инструментальных сталей, модификация поверхности, вызванная ионной имплантацией, включает в себя как поверхностное сжатие, которое предотвращает распространение трещин, так и легирование поверхности, чтобы сделать ее более химически устойчивой к коррозии.

Смешивание ионных пучков

Ионная имплантация может использоваться для достижения смешивания ионных пучков, т.е. смешивания атомов разных элементов на границе раздела.. Это может быть полезно для получения градуированных поверхностей раздела или усиления адгезии между слоями несмешивающихся материалов.

Ионная имплантация образование наночастиц

Ионная имплантация может использоваться для индуцирования наноразмерных частиц в оксидах, таких как сапфир и кремнезем. Частицы могут быть образованы в результате осаждения частиц, имплантированных ионами, они могут быть образованы в результате получения частиц смешанного оксида, которые содержат как элемент, имплантированный ионами, так и оксидную подложку, и они могут быть сформированы как результат уменьшения количества субстрата, о чем впервые сообщили Хант и Хампикян. Типичная энергия ионного пучка, используемого для получения наночастиц, составляет от 50 до 150 кэВ, а плотность потока ионов составляет от 10 до 10 ионов / см. В таблице ниже приведены некоторые работы, проделанные в этой области для сапфировой подложки. Можно сформировать широкий спектр наночастиц с диапазоном размеров от 1 нм до 20 нм и с композициями, которые могут содержать имплантированные частицы, комбинации имплантированного иона и субстрата, или которые состоят исключительно из катиона, связанного с субстратом..

Композиционные материалы на основе диэлектриков, таких как сапфир, которые содержат диспергированные металлические наночастицы, являются многообещающими материалами для оптоэлектроники и нелинейной оптики.

	Имплантированные частицы	Подложка	Энергия ионного пучка (кэВ)	Плотность энергии (ионы / см)	Термическая обработка после имплантации	Результат	Источник
Производит Оксиды, содержащие имплантированный ион	Co	Al2O3	65	5*10	Отжиг при 1400 ° C	Образует Al 2 CoO 4 шпинель
	Co	α-Al 2O3	150	2*10	Отжиг при 1000 ° C в окислительном окружающий	Образует Al 2 CoO 4 шпинель
	Mg	Al2O3	150	5*10	- -	Образует MgAl 2O4тромбоциты
	Sn	α-Al 2O3	60	1*10	Отжиг в O 2 атмосферы при 1000 ° C в течение 1 часа	30 нм SnO 2 наночастицы образуют
	Zn	α-Al 2O3	48	1 * 10	Отжиг в атмосфере O 2 при 600 ° C	Наночастицы ZnO образуют
	Zr	Al2O3	65	5*10	Отжиг при 1400 ° C	ZrO 2 образуются преципитаты
производит металлические наночастицы из имплантированных частиц	Ag	α-Al 2O3	1500, 2000	2 * 10, 8 * 10	Отжиг от 600 ° C до 1100 ° C в окислительной, восстановительной, атмосфере Ar или N 2	Наночастицы Ag в матрице Al 2O3
	Au	α- Al 2O3	160	0,6 * 10, 1 * 10	1 час при 800 ° C на воздухе	Наночастицы Au в матрице Al 2O3
	Au	α-Al 2O3	1500, 2000	2 * 10, 8 * 10	Отжиг от 600 ° C до 1100 ° C при окислении, восстановлении, Ar или N 2 атмосферы	Наночастицы Au в матрице Al 2O3
	Co	α-Al 2O3	150	<5*10	Отжиг при 1000 ° C	Наночастицы Co в матрице Al 2O3
	Co	α-Al 2O3	150	2*10	Отжиг при 1000 ° C в уменьшение окружающей среды	Осаждение металлического Co
	Fe	α-Al 2O3	160	1 * от 10 до 2 * 10	Отжиг в течение 1 часа от 700 ° C до 1500 ° C в восстановительной окружающей среде	Fe-нанокомпозиты
	Ni	α-Al 2O3	64	1*10	---	Наночастицы Ni 1-5 нм
	Si	α-Al 2O3	50	2 * 10, 8 * 10	Отжиг при 500 ° C или 1000 ° C в течение 30 мин	Наночастицы Si в Al 2O3
	Sn	α-Al 2O3	60	1*10	---	Тетрагональные наночастицы Sn 15 нм
	Ti	α-Al 2O3	100	<5*10	Отжиг при 1000 ° C	Наночастицы Ti в Al 2O3
Производят металлические наночастицы из субстрата	Ca	Al2O3	150	5*10	---	Наночастицы Al в аморфной матрице, содержащей Al 2O3и CaO
	Y	Al2O3	150	5*10	---	10,7 ± 1,8 нм частицы Al в аморфной матрице, содержащей Al 2O3и Y 2O3
	Y	Al2O3	150	2,5*10	---	9,0 ± 1,2 нм частицы Al в аморфная матрица, содержащая Al 2O3и Y 2O3

Кристаллографические повреждения

Каждый отдельный ион создает множество точечных дефектов в целевом кристалле при ударе, таких как вакансии и межузельные частицы. Вакансии - это точки кристаллической решетки, не занятые атомом: в этом случае ион сталкивается с целевым атомом, что приводит к передаче значительного количества энергии целевому атому, так что он выходит из своего кристаллического узла. Этот целевой атом затем сам становится снарядом в твердом теле и может вызывать последовательные события столкновения. Межузельные слои возникают, когда такие атомы (или сам исходный ион) останавливаются в твердом теле, но не находят в решетке свободного места для размещения. Эти точечные дефекты могут мигрировать и группироваться друг с другом, что приводит к образованию петель дислокации и других дефектов.

Восстановление после повреждений

Поскольку ионная имплантация вызывает повреждение кристаллической структуры мишени, что часто является нежелательным, процесс ионной имплантации часто сопровождается термическим отжигом. Это можно назвать возмещением ущерба.

Аморфизация

Степень кристаллографического повреждения может быть достаточной для полной аморфизации поверхности мишени: то есть она может стать аморфным твердым телом (таким твердым телом, полученным из расплав называется стеклом ). В некоторых случаях полная аморфизация мишени предпочтительнее высокодефектного кристалла: аморфизированная пленка может быть восстановлена ​​при более низкой температуре, чем требуется для отжига сильно поврежденного кристалла. Аморфизация подложки может произойти в результате повреждения луча. Например, имплантация ионов иттрия в сапфир при энергии ионного пучка от 150 кэВ до флюенса 5 * 10 Y / см дает аморфный стекловидный слой толщиной примерно 110 нм, измеренный от внешней поверхности. [Hunt, 1999]

Распыление

В результате некоторых столкновений атомы выбрасываются (распыляются ) с поверхности, и, таким образом, ионная имплантация медленно вытравливает поверхность. Эффект заметен только при очень больших дозах.

Ионный канал

Кубический кристалл алмаза, если смотреть в направлении , с гексагональными ионными каналами.

Если существует кристаллографическая структура мишени, и особенно в полупроводниковых подложках, где кристаллическая структура является более открытым, определенные кристаллографические направления предлагают гораздо более низкую остановку, чем другие направления. В результате радиус действия иона может быть намного больше, если ион движется точно в определенном направлении, например, в направлении в кремнии и других алмазных кубических материалах. Этот эффект называется ионным каналированием и, как и все эффекты каналирования, является сильно нелинейным, с небольшими отклонениями от идеальной ориентации, что приводит к огромным различиям в глубине имплантации. По этой причине имплантация в большинстве случаев выполняется с отклонением от оси на несколько градусов, где крошечные ошибки выравнивания будут иметь более предсказуемые последствия.

Каналирование ионов можно использовать непосредственно в обратном резерфордовском рассеянии и связанных с ним методах в качестве аналитического метода для определения количества и профиля глубины повреждения в кристаллических тонкопленочных материалах.

Опасные материалы

При производстве пластин токсичных материалов, таких как арсин и фосфин часто используется в процессе ионной имплантации. Другие распространенные канцерогенные, коррозионные, легковоспламеняющиеся или токсичные элементы включают сурьму, мышьяк, фосфор. и бор. Производство полупроводников в высокой степени автоматизировано, но остатки опасных элементов в машинах могут быть обнаружены во время обслуживания и в оборудовании вакуумного насоса.

Высокое напряжение и ускорители частиц

Высоковольтные источники питания, используемые в ионных ускорителях, необходимые для ионной имплантации, могут представлять опасность поражения электрическим током. Кроме того, столкновения атомов высокой энергии могут генерировать рентгеновское излучение и, в некоторых случаях, другое ионизирующее излучение и радионуклиды. Помимо высокого напряжения, ускорители частиц, такие как радиочастотные линейные ускорители частиц и лазерные плазменные ускорители в кильватерном поле, представляют другие опасности.

• Остановка и диапазон ионов в веществе

На Викискладе есть материалы, связанные с ионной имплантацией.