Ионная имплантация – это низкотемпературный процесс, посредством которого компоненты одного элемента ускоряются в твердую поверхность пластины, тем самым изменяя физические, химические или электрические ее свойства. Данный способ используется в производстве полупроводниковых приборов и в отделке металлов, а также в исследованиях материаловедения. Компоненты могут изменять элементный состав пластины, если они останавливаются и остаются в ней. Ионная имплантация также вызывает химические и физические изменения, когда атомы сталкиваются с целью при высокой энергии. Кристаллическая структура пластины может быть повреждена или даже уничтожена энергетическими каскадами столкновений, и частицы достаточно высокой энергии (10 МэВ) могут вызвать ядерную трансмутацию.
Общий принцип установки ионной имплантации
Оборудование обычно состоит из источника, где образуются атомы желаемого элемента, ускорителя, где они электростатически убыстряются до высокой энергии, и камеры-мишени, где они сталкиваются с целью, которая является материалом. Таким образом, данный процесс – 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 во времени ионного тока. Это число называется дозой. Токи, подаваемые имплантатами, обычно малы (микроамперы), и, следовательно, количество, которое можно имплантировать за разумное время, небольшое. Поэтому ионная имплантация находит применение в тех случаях, когда количество необходимых химических изменений невелико.
Типичные энергии ионов находятся в диапазоне от 10 до 500 кэВ (от 1600 до 80000 аДж). Можно использовать ионную имплантацию при низких энергиях в диапазоне от 1 до 10 кэВ (от 160 до 1600 аДж), но при этом проникновение составляет всего несколько нанометров или менее. Мощность ниже этого приводит к очень незначительному повреждению цели и попадает под обозначение ионного пучкового осаждения. И также можно использовать более высокие энергии: распространены ускорители, способные к 5 МэВ (800 000 аДж). Тем не менее часто наносится большой структурный ущерб цели, и поскольку распределение по глубине является широким (пик Брэгга), чистое изменение состава в любой точке цели будет небольшим.
Энергия ионов, а также различные виды атомов и состав мишени определяют глубину проникновения частиц в твердое тело. Моноэнергетический ионный пучок обычно имеет широкое распределение по глубине. Среднее проникновение называется диапазоном. В типичных условиях он будет между 10 нанометрами и 1 микрометром. Таким образом, низкоэнергетическая ионная имплантация в особенности полезна в тех случаях, когда желательно, чтобы химическое или структурное изменение было вблизи поверхности мишени. Частицы постепенно теряют свою энергию при прохождении через твердое тело, как от случайных столкновений с атомами-мишенями (которые вызывают резкие переносы энергии), так и от легкого торможения от перекрытия электронных орбиталей, что является непрерывным процессом. Потеря энергии ионов в мишени называется остановкой и может быть смоделирована с помощью метода ионной имплантации приближения бинарных столкновений.
Ускорительные системы обычно подразделяются на средний ток, высокий, большую энергию и очень значительную дозу.
Все разновидности конструкций пучков ионной имплантации содержат определенные общие группы функциональных компонентов. Рассмотрим примеры. Первые физические и физико-химические основы ионной имплантации включают в себя устройство, известное как источник для генерирования частиц. Данный прибор тесно связан со смещенными электродами для извлечения атомов в линию пучка и чаще всего с некоторыми средствами выбора конкретных видов для транспорта в главную секцию ускорителя. Избрание «массы» часто сопровождается прохождением выведенного ионного пучка через область магнитного поля с выходным путем, ограниченным блокирующими отверстиями или «щелями», которые допускают только ионы с определенным значением произведения массы и скорости. Если поверхность мишени больше диаметра ионного пучка и желательно равномернее распределена имплантированная доза по ней, то используется некоторая комбинация сканирования луча и движения пластины. Наконец, цель соединяется с некоторым способом сбора накопленного заряда имплантированных ионов, так что доставляемая доза может измеряться непрерывным образом и процесс останавливается на желаемом уровне.
Применение в производстве полупроводниковых приборов
Легирование бором, фосфором или мышьяком является распространенным применением данного процесса. При ионной имплантации полупроводников каждый атом допанта может создавать носитель заряда после отжига. Можно соорудить дырку для легирующей примеси р-типа и электрон n-типа. Это изменяет проводимость полупроводника в его окрестности. Техника используется, например, для регулировки порога MOSFET.
Ионная имплантация была разработана как метод получения pn-перехода фотоэлектрических устройств в конце 1970-х и начале 1980-х годов наряду с использованием импульсного электронного пучка для быстрого отжига, хотя до настоящего времени она не применялась для коммерческого производства.
Кремний на изоляторе
Одним из известных способов получения данного материала на подложках диэлектрика (SOI) из обычных кремниевых подложек является процесс SIMOX (разделение с помощью имплантации кислорода), в котором засыпанный воздух с высокой дозой преобразуется в оксид кремния благодаря процессу высокотемпературного отжига.
Мезотаксия
Это термин для роста кристаллографически совпадающей фазы под поверхностью основного кристалла. В этом процессе ионы имплантируются с достаточно высокой энергией и дозой в материал для создания слоя второй фазы, а температура регулируется таким образом, чтобы структура мишени не разрушалась. Кристаллическая ориентация слоя может быть спроектирована так, чтобы соответствовать цели, даже если точная постоянная решетки может сильно отличаться. Например, после имплантации ионов никеля в кремниевую пластину можно выращивать слой силицида, в котором ориентация кристаллов совпадает со значениями кремния.
Применение в металлической отделке
Азот или другие ионы могут быть имплантированы в мишень из инструментальной стали (например, сверла). Структурное изменение провоцирует поверхностное сжатие в материале, что предотвращает распространение трещин и, таким образом, делает его более устойчивым к разрушению.
Отделка поверхности
В некоторых применениях, например для протезов, таких как искусственные суставы, желательно иметь цель, очень устойчивую и к химической коррозии, и к износу из-за трения. Ионная имплантация используется для конструирования поверхностей таких устройств для более надежной работы. Как и в случае инструментальных сталей, модификация цели, вызванная ионной имплантацией, включает как поверхностное сжатие, которое предотвращает распространение трещин, так и легирование, чтобы сделать ее более химически стойкой к коррозии.
Другие приложения
Имплантация может быть использована для достижения смешения ионных пучков, то есть блендирования атомов различных элементов на границе раздела. Это может быть полезно для достижения градуированных поверхностей или усиления адгезии между слоями несмешивающихся материалов.
Формирование наночастиц
Ионная имплантация может быть использована для индукции наноразмерных материалов в оксидах, таких как сапфир и диоксид кремния. Атомы могут быть сформированы в результате осаждения или образования смешанных веществ, которые содержат как ионно-имплантированный элемент, так и подложку.
Типичные энергии ионного пучка, используемые для получения наночастиц, находятся в диапазоне от 50 до 150 кэВ, а флюенс ионов — от 10-16 до 10-18 кв. см. Может быть сформировано большое разнообразие материалов с размерами от 1 нм до 20 нм и с композициями, которые могут содержать имплантированные частицы, комбинации, которые состоят исключительно из катиона, связанного с субстратом.
Вещества на основе диэлектриков, таких как сапфир, которые содержат дисперсные наночастицы ионной имплантации металлов, являются перспективными материалами для оптоэлектроники и нелинейной оптики.
Проблемы
Каждый отдельный ион производит много точечных дефектов в целевом кристалле при ударе или внедрении. Вакансии – это точки решетки, не занятые атомом: в этом случае ион сталкивается с атомом-мишенью, что приводит к передаче значительного количества энергии ему, так что он покидает свой участок. Этот целевой объект сам становится снарядом в твердом теле и может вызывать последовательные столкновения. Междоузлия возникают, когда такие частицы останавливаются в твердом теле, но не находят свободного места в решетке для проживания. Эти точечные дефекты при ионной имплантации могут мигрировать и кластеризоваться друг с другом, что приводит к образованию дислокационных петель и других проблем.
Аморфизация
Количество кристаллографического повреждения может быть достаточным для полного перехода поверхности мишени, то есть оно должно стать аморфным твердым веществом. В некоторых случаях полная аморфизация мишени предпочтительнее, чем кристалл с высокой степенью дефектности: такая пленка может повторно расти при более низкой температуре, чем требуется для отжига сильно поврежденного кристалла. Аморфизация подложки может происходить в результате изменения луча. Например, при имплантации ионов иттрия в сапфир при энергии пучка 150 кэВ до флюенса 5*10-16 Y+/кв. см образуется стекловидный слой толщиной приблизительно 110 нм, измеренный с внешней поверхности.
Распыление
Некоторые из событий столкновения приводят к тому, что атомы выбрасываются с поверхности, и, таким образом, ионная имплантация будет медленно вытравливать поверхность. Эффект заметен только для очень больших доз.
Ионный канал
Если к мишени приложена кристаллографическая структура, особенно в полупроводниковых подложках, где она более открыта, то конкретные направления останавливают гораздо меньше, чем другие. Результатом является то, что радиус действия иона может быть намного больше, если он движется точно вдоль определенного следования, например в кремнии и других кубических материалах алмаза. Этот эффект называется ионным каналированием, и, как и все подобные эффекты, в высокой степени нелинейные, с небольшими отклонениями от идеальной ориентации, приводящие к значительным различиям в глубине имплантации. По этой причине большая часть выполняется на несколько градусов вне оси, где крошечные ошибки выравнивания будут иметь более предсказуемые эффекты.
