Ионная имплантация

Схема установки для ионной имплантации и селекции ионов по энергии.

Ио́нная импланта́ция — способ введения атомов примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки его поверхности пучком ионов c высокой энергией (10—2000 КэВ).

Широко используется при создании полупроводниковых приборов методом планарной технологии. В этом качестве применяется для образования в приповерхностном слое полупроводника областей с содержанием донорных или акцепторных примесей с целью создания p-n-переходов и гетеропереходов, а также низкоомных контактов.

Ионную имплантацию также применяют как метод легирования металлов для изменения их физических и химических свойств (повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.).

Ионная бомбардировка высокотемпературных сверхпроводников семейства $RBa_{2}Cu_{3}O_{x}$ используется для создания центров пиннинга (англ. Flux pinning) повышающих плотность критического тока.

Принцип работы

Основными блоками ионно-лучевой установки являются источник ионов(ion source), ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования пучком ионов, и камера, в которой находится бомбардируемый образец (substrate). Ионы имплантируемого материала разгоняются в электростатическом ускорителе и бомбардируют образец. Ионы ускоряются до энергий 10-5000кэВ. Проникновение ионов в глубину образца зависит от их энергии и составляет от нескольких нанометров, до нескольких микрометров. Ионы с энергией 1-10 кэВ не вызывают изменений в структуре образца, тогда как более энергетичные потоки ионов могут значительно его разрушить.

Технология ионного имплантирования разрешает внедрить заданное количество практически любого химического элемента на заданную глубину, позволяя таким образом сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур. Возможно создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали.

Введение импланта в основную решетку материала возможно без «соблюдения» законов термодинамики, определяющих равновесные процессы, например, диффузию и растворимость.

Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине:

• слой с измененным химическим составом до 1-9 мкм;
• слой с измененной дислокационной структурой до 100 мкм.

Сталкиваясь с электронами и ядрами мишени, ионы легирующего вещества на некоторой глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов и свойства обрабатываемого материала, то глубина проникновения (или длина пробега) может быть вычислена. Для пучков с типичными энергиями от 10 до 500 кэВ величина пробега достигает одного мкм. Как уже указывалось, вследствие влияния большого числа факторов, эпюра распределения внедренного вещества в поверхность близка по форме гауссовскому распределению. Внедрение ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры. Выбитые из узлов решетки атомы вещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедренных межузельных атомов. Эти же дефекты возникают при застревании между узлами решетки ионов. Скопление таких дефектов образует дислокации и целые дислокационные скопления^[1].

Применение в электронной промышленности

Легирование полупроводников

Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией оно позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами толщиной менее 0,1 мкм с высокой воспроизводимостью параметров.

Ионы элементов, используемых обычно для создания примесной проводимости, внедряясь в кристалл полупроводника занимают в его решетке положение атомов замещения и создают соответствующий тип проводимости. Внедряя ионы III и V групп в монокристалл кремния, можно получить p-n переход в любом месте и на любой площади кристалла.

Возможность легирования полупроводников (doping) из газовой фазы бором, фосфором, арсенидом является важнейшей особенностью ионной имплантации. Такой процесс легирования считается одним из наиболее чистых методов легирования. Имплантированый ион создает в полупроводнике заряд (дырку или электрон), меняя при этом его проводимость, что позволяет создать на поверхности кремния, например, изолирующую поверхность. Имплантированные ионы кислорода окисляют кремний превращающих его в окись кремния, являющегося прекрасным изолятором. (Для этого необходимо провести отжиг(annealing)). Этот процесс называется SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen)(разделение имплантированным кислородом)

Мезотаксия

Мезотаксия (mesotaxy) — это процесс похожий на эпитаксию. В мезотаксии рост фазо-согласованной гетероструктуры происходит с поверхности внутрь полупроводника, путем имплантации ионов и выбором нужной температуры.

Другие применения

Для получения фуллеренов и нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом может применяться ионная имплантация частиц в наноструктуры углерода^[2].

Применение в металлургии

Ионы азота применяются для упрочнения поверхности стальных режущих инструментов (фрезы, сверла и др). Имплантация этих ионов предотвращает образование трещин на поверхности металла и уменьшает коррозиционные и фрикционные свойства стали. Последние свойства важны в медицине при изготовления протезов, авиа- и космос-строении.

Часто прибегают к одновременной имплантации ионов различных атомов. Это важно когда необходимо создать адгезию между материалами, которые в природе плохо смешиваются.

В настоящее время технология ионной имплантации позволяют обрабатывать рабочие лопатки паровых турбин размером до 1700 мм^[1].

При этом увеличивается:

• предел усталости на 7-25 %;
• долговечность более чем в 20 раз;
• адгезионная прочность последующих покрытий;

При нанесении защитных покрытий на турбинные лопатки из жаропрочных сплавов достигается повышение:

• жаростойкости в 2,5 раза,
• коррозионной стойкости в 1,9 раза
• длительной прочности в 1,6 раза
• сопротивления усталости в 1,2 раза

Ионная имплантация используется как один из методов для придания верхнему слою металла аморфной структуры^[3].

Производители оборудования для ионной имплантации

Установка для ионной имплантации

• Advanced Ion Beam Technology
• Axcelis Technologies
• Complete Ions
• Facilitation Centre for Industrial Plasma Technologies
• Global Technologies, R&D equipment and Service
• Ion Beam Services
• Nissin Ion Equipment
• SemEquip
• SEN Corporation
• Tokyo Electron Limited
• Ulvac Technologies
• Varian Semiconductor Equipment

Примечания

1. ↑ ^{1 2} НПП УАСТ — Высокие технологии — Ионная имплантация
2. ↑ Ионная имплантация: новые возможности известного метода — «Известия ОрелГТУ». 2003. №1-2.
3. ↑ Физическое материаловедение наноструктурных материалов. Поздняков В.А. (гл. Получение аморфного состояния из твердого кристаллического)

См. также

• Нейтронно-трансмутационное легирование

Литература

• Ионная имплантация. / Х. Риссел, И. Руге. - М., Наука, 1983.
• Ионное легирование полупроводников (кремний и германий) / Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. - М., Мир, 1973. - 296с.
• Ионная имплантация / Ф. Ф. Комаров, А. П. Новиков, А. Ф. Буренков. - Минск, Унiверсiтэцкае, 1994. - 303 с. ; ISBN 985-09-0036-9

Ссылки

	Ионная имплантация на Викискладе?

• Ионная имплантация — Словарь нанотехнологических терминов
• Ионная имплантация — федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы»
• Ионная имплантация — лекция (проф. И. Н. Бекман, МГУ, 2006)
• Ионная имплантация — Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1988.
• Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения — «Успехи физических наук» №3, 1995
• Ионное легирование полупроводников — Вестник РАН №8, 1972
• SEMI  (англ.) — сайт объединения производителей оборудования и материалов для полупроводниковых технологий
• Ion Implantation — подборка ссылок (англ.)
• James Ziegler’s code for simulating ion implantation  (англ.)