Ионная имплантация - Ion implantation

Система ионной имплантации на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

Ионная имплантация - это низкотемпературный процесс, при котором ионы одного элемента ускоряются в твердую мишень, тем самым изменяя ее физические, химические или электрические свойства. Ионная имплантация используется при изготовлении полупроводниковых приборов и отделке металлов, а также в исследованиях в области материаловедения . 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 уничтожена энергетическими каскадами столкновений , а ионы достаточно высокой энергии (10s МОВ) могут привести к ядерной трансмутации .

Основной принцип

Установка для ионной имплантации с масс-сепаратором

Оборудование для ионной имплантации обычно состоит из источника ионов , в котором производятся ионы желаемого элемента, ускорителя , в котором ионы электростатически ускоряются до высокой энергии, и камеры мишени, где ионы сталкиваются с мишенью, 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, является интегралом ионного тока во времени. Это количество называется дозой. Токи, подаваемые имплантатами, обычно малы (микроамперы), 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 80 000 аДж). Могут использоваться 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 определение ионного лучевого осаждения . Могут использоваться и более высокие энергии: обычны ускорители на 5 МэВ (800 000 аДж). Однако часто есть большие структурные повреждения цели, и поскольку распределение по глубине широкое ( пик Брэгга ), чистое изменение состава в любой точке цели будет небольшим.

Энергия ионов, а также их разновидности 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 тех 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 целевыми атомами (которые вызывают резкую передачу энергии), так и из-за легкого сопротивления из-за перекрытия электронных орбиталей, что является непрерывным процессом. Потеря энергии ионов в мишени называется остановкой и может быть смоделирована с помощью метода приближения парных столкновений .

Ускорительные системы для ионной имплантации обычно подразделяются на среднетоковые (токи ионного пучка от 10 мкА до ~ 2 мА), сильноточные (токи ионного пучка до ~ 30 мА), высокоэнергетические (энергии ионов выше 200 кэВ и до 10 МэВ. ) и очень высокой дозой (эффективный имплант с дозой более 10 16 ионов / см 2 ).

Все разновидности конструкций каналов 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 соединяется с некоторым методом сбора накопленного заряда имплантированных ионов, так что доставляемая доза может измеряться непрерывно, а процесс имплантации останавливается на желаемом уровне дозы.

Применение в производстве полупроводниковых приборов

Допинг

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 . Отверстие может быть создано для р-типа легирующей примеси и электрона для п-типа легирующей примеси. Это изменяет проводимость полупроводника в непосредственной близости от него. Этот метод используется, например, для регулировки порогового напряжения полевого МОП-транзистора .

Ионная имплантация была разработана как метод изготовления pn-перехода фотоэлектрических устройств в конце 1970-х - начале 1980-х годов, наряду с использованием импульсного электронного пучка для быстрого отжига, хотя до сих пор не использовалась в промышленном производстве.

Кремний на изоляторе

Одним из известных методов изготовления подложек кремний на изоляторе (КНИ) 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 согласующейся фазы под поверхностью основного кристалла (по сравнению с эпитаксией , которая представляет собой рост согласующей фазы на поверхности подложки). В этом процессе ионы имплантируются с достаточно высокой энергией и дозой в материал, чтобы создать слой 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.

Применение в отделке металлов

Закалка инструментальной стали

Азот или другие ионы могут быть имплантированы в мишень из инструментальной стали (например, сверла). Структурные изменения, вызванные имплантацией, вызывают поверхностное сжатие 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.

Другие приложения

Смешивание ионных пучков

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

Формирование наночастиц, вызванное ионной имплантацией

Ионная имплантация может использоваться для индуцирования наноразмерных частиц в оксидах, таких как сапфир и диоксид кремния . Частицы могут быть образованы в результате осаждения частиц, имплантированных ионами, они могут быть образованы в результате производства частиц смешанного оксида, которые содержат как элемент, имплантированный ионами, так и оксидную подложку, и они могут быть сформированы в виде результат уменьшения количества субстрата, о чем впервые сообщили Хант и Хампикян. Типичная энергия ионного пучка, используемого для получения наночастиц, находится в диапазоне от 50 до 150 кэВ, с плотностью потока ионов от 10 16 до 10 18 ионов / см 2 . 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, содержащие дисперсные наночастицы металлов, являются перспективными материалами для оптоэлектроники и нелинейной оптики .

Имплантированные виды Субстрат Энергия ионного пучка (кэВ) Плотность энергии (ионов / см 2 ) Постимплантационная термообработка Результат Источник
Образует оксиды, содержащие имплантированный ион Co Al 2 O 3 65 5 * 10 17 Отжиг при 1400 ° C Образует шпинель Al 2 CoO 4
Co α-Al 2 O 3 150 2 * 10 17 Отжиг при 1000 ° C в окислительной среде Образует шпинель Al 2 CoO 4
Mg Al 2 O 3 150 5 * 10 16 --- Формы MgAl 2 O 4 тромбоцитов
Sn α-Al 2 O 3 60 1 * 10 17 Отжиг в атмосфере O 2 при 1000 ° C в течение 1 часа. Наночастицы SnO 2 размером 30 нм образуют
Zn α-Al 2 O 3 48 1 * 10 17 Отжиг в атмосфере O 2 при 600 ° C Форма наночастиц ZnO
Zr Al 2 O 3 65 5 * 10 17 Отжиг при 1400 ° C Осадки ZrO 2 образуют
Производит металлические наночастицы из имплантированных видов Ag α-Al 2 O 3 1500, 2000 2 * 10 16 , 8 * 10 16 Отжиг от 600 ° C до 1100 ° C в окислительной, восстановительной атмосфере , Ar или N 2 Наночастицы Ag в матрице Al 2 O 3
Au α-Al 2 O 3 160 0,6 * 10 17 , 1 * 10 16 1 час при 800 ° C на воздухе Наночастицы Au в матрице Al 2 O 3
Au α-Al 2 O 3 1500, 2000 2 * 10 16 , 8 * 10 16 Отжиг от 600 ° C до 1100 ° C в окислительной, восстановительной атмосфере , Ar или N 2 Наночастицы Au в матрице Al 2 O 3
Co α-Al 2 O 3 150 <5 * 10 16 Отжиг при 1000 ° C Наночастицы Co в матрице Al 2 O 3
Co α-Al 2 O 3 150 2 * 10 17 Отжиг при 1000 ° C в восстановительной окружающей среде Осаждение металлического Co
Fe α-Al 2 O 3 160 1 * 10 16 до 2 * 10 17 Отжиг в течение 1 часа от 700 ° C до 1500 ° C в восстановительной окружающей среде Fe нанокомпозиты
Ni α-Al 2 O 3 64 1 * 10 17 --- Наночастицы Ni размером 1-5 нм
Si α-Al 2 O 3 50 2 * 10 16 , 8 * 10 16 Отжиг при 500 ° C или 1000 ° C в течение 30 мин. Наночастицы Si в Al 2 O 3
Sn α-Al 2 O 3 60 1 * 10 17 --- Тетрагональные наночастицы Sn размером 15 нм
Ti α-Al 2 O 3 100 <5 * 10 16 Отжиг при 1000 ° C Наночастицы Ti в Al 2 O 3
Производит металлические наночастицы из субстрата Ca Al 2 O 3 150 5 * 10 16 --- Наночастицы Al в аморфной матрице, содержащей Al 2 O 3 и CaO
Y Al 2 O 3 150 5 * 10 16 --- Частицы Al размером 10,7 ± 1,8 нм в аморфной матрице, содержащей Al 2 O 3 и Y 2 O 3
Y Al 2 O 3 150 2,5 * 10 16 --- Частицы Al 9,0 ± 1,2 нм в аморфной матрице, содержащей Al 2 O 3 и Y 2 O 3

Проблемы с ионной имплантацией

Кристаллографические повреждения

Каждый отдельный ион вызывает множество точечных дефектов в кристалле-мишени 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 покидает свое кристаллическое место. Этот целевой атом затем сам становится снарядом в твердом теле и может вызывать последовательные столкновения . Межузельные частицы 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 дислокационных петель и других дефектов.

Восстановление 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

Количество кристаллографических повреждений может быть достаточным для полной аморфизации поверхности мишени: то есть она может стать аморфным твердым телом (такое твердое тело, полученное из расплава, называется стеклом ). В некоторых случаях полная аморфизация мишени предпочтительнее высокодефектного кристалла: аморфизированная пленка может быть повторно выращена 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 16 Y + / см 2 дает аморфный стекловидный слой толщиной примерно 110 нм, измеренный от внешней поверхности. [Хант, 1999]

Распыление

Некоторые из столкновений приводят к тому, что атомы выбрасываются ( разбрызгиваются ) с поверхности, и, таким образом, ионная имплантация будет медленно вытравливать поверхность. Эффект заметен только при очень больших дозах.

Ионный ченнелинг

Кубический кристалл алмаза в направлении <110> , показывающий гексагональные ионные каналы.

Если у мишени есть кристаллографическая структура, и особенно в полупроводниковых подложках, где кристаллическая структура более открыта, определенные кристаллографические направления обеспечивают гораздо меньшее торможение, чем другие направления. В результате радиус действия иона может быть намного больше, если ион движется точно в определенном направлении, например в направлении <110> в кремнии и других алмазных кубических материалах. Этот эффект называется ионным каналированием и, как и все эффекты каналирования , очень нелинейный, с небольшими отклонениями от идеальной ориентации, что приводит к резким различиям в глубине имплантации. По этой причине большая часть имплантации выполняется с отклонением от оси на несколько градусов, где крошечные ошибки выравнивания будут иметь более предсказуемые последствия.

Каналирование ионов можно использовать непосредственно в методах обратного резерфордовского рассеяния и связанных с ними методах в качестве аналитического метода для определения степени и глубины повреждения кристаллических тонкопленочных материалов.

Безопасность

Опасные материалы

При изготовлении пластин , токсичные материалы , таких как арсин и фосфин часто используются в процессе ионного Имплантера. Другие общие 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 вакуумных насосов .

Высокие напряжения и ускорители частиц

Источники питания высокого напряжения, используемые в ускорителях ионов, необходимые для ионной имплантации, могут представлять опасность поражения электрическим током . Кроме того, столкновения атомов с высокой энергией могут генерировать рентгеновское излучение, а в некоторых случаях и другое ионизирующее излучение и радионуклиды . Помимо высокого напряжения, ускорители частиц, такие как линейные радиочастотные ускорители частиц и плазменные ускорители лазерного кильватерного поля, представляют другие опасности.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки