Ионная имплантация — это низкотемпературный процесс, при котором ионы одного элемента ускоряются в твердой мишени, тем самым изменяя физические, химические или электрические свойства мишени. Ионная имплантация используется в производстве полупроводниковых приборов и в обработке 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 разрушена каскадами энергетических столкновений , а ионы с достаточно высокой энергией (десятки МэВ) могут вызывать ядерную трансмутацию .
Оборудование для ионной имплантации обычно состоит из источника ионов , где производятся ионы нужного элемента, ускорителя , где ионы электростатически ускоряются до высокой энергии или с использованием радиочастоты, и целевой камеры, где ионы ударяются о мишень, которая является материалом для имплантации. Таким образом, ионная имплантация является особым случаем излучения частиц . Каждый ион, как правило, представляет собой отдельный атом или молекулу, и, таким образом, фактическое количество материала, имплантированного в мишень, является интегралом по времени ионного тока. Это количество называется дозой. Токи, подаваемые имплантатами, обычно малы (микроамперы), и, таким образом, доза, которая может быть имплантирована за разумное время, мала. Поэтому ионная имплантация находит применение в случаях, когда требуемое количество химических изменений невелико.
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 при этом достигается проникновение всего в несколько нанометров или меньше. Энергии ниже этой приводят к очень небольшому повреждению мишени и подпадают под обозначение ионно-лучевого осаждения . Могут использоваться и более высокие энергии: ускорители, способные выдавать 5 МэВ (800 000 аДж), являются обычными. Однако часто наблюдается большое структурное повреждение мишени, и поскольку распределение по глубине широкое ( пик Брэгга ), чистое изменение состава в любой точке мишени будет небольшим.
Энергия ионов, а также вид ионов и состав мишени определяют глубину проникновения ионов в твердое тело: Моноэнергетический ионный пучок обычно имеет широкое распределение по глубине. Средняя глубина проникновения называется пробегом ионов. При типичных обстоятельствах пробеги ионов будут составлять от 10 нанометров до 1 микрометра. Таким образом, ионная имплантация особенно полезна в случаях, когда желательно, чтобы химическое или структурное изменение происходило вблизи поверхности мишени. Ионы постепенно теряют свою энергию по мере прохождения через твердое тело, как из-за случайных столкновений с атомами мишени (которые вызывают резкие передачи энергии), так и из-за слабого сопротивления от перекрытия электронных орбиталей, что является непрерывным процессом. Потеря энергии ионов в мишени называется остановкой и может быть смоделирована с помощью метода приближения бинарных столкновений .
Ускорительные системы для ионной имплантации обычно классифицируются на среднетоковые (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 высокодозовые (эффективная имплантация дозы более 1016 ионов /см2 ) . [1] [2] [3]
Все разновидности конструкций ионного имплантационного пучка содержат общие группы функциональных компонентов (см. изображение). Первый основной сегмент ионного пучка включает источник ионов, используемый для генерации ионных видов. Источник тесно связан со смещенными электродами для извлечения ионов в пучок и чаще всего с некоторыми средствами выбора определенного вида ионов для транспортировки в основную секцию ускорителя.
Источник ионов часто изготавливается из материалов с высокой температурой плавления, таких как вольфрам, вольфрам, легированный оксидом лантана, молибденом и танталом. Часто внутри источника ионов плазма создается между двумя вольфрамовыми электродами, называемыми отражателями, с использованием газа, часто основанного на фторе, содержащего имплантируемый ион, будь то германий, бор или кремний, например, трифторид бора, [4] дифторид бора, [5] тетрафторид германия или тетрафторид кремния. [6] В источнике ионов может использоваться газ арсин или фосфин для обеспечения мышьяка или фосфора соответственно для имплантации. [7] Источник ионов также имеет косвенно нагретый катод. В качестве альтернативы этот нагретый катод может использоваться в качестве одного из отражателей, устраняя необходимость в специальном, [8] [9] [10] или используется катод с прямым нагревом. [11]
Кислород или газы на основе оксидов, такие как углекислый газ, также могут использоваться для ионов, таких как углерод. Водород или водород с ксеноном, криптоном или аргоном могут быть добавлены в плазму для задержки деградации вольфрамовых компонентов из-за галогенного цикла. [6] [10] [12] [13] Водород может поступать из баллона высокого давления или из водородного генератора, который использует электролиз. [14] Отражатели на каждом конце источника ионов непрерывно перемещают атомы от одного конца источника ионов к другому, напоминая два зеркала, направленных друг на друга, постоянно отражающих свет. [8]
Ионы извлекаются из источника с помощью извлекающего электрода, расположенного снаружи источника ионов, через щелевидное отверстие в источнике, [15] [16] затем ионный пучок проходит через аналитический магнит для выбора ионов, которые будут имплантированы, а затем проходит через один или два [17] линейных ускорителя (ЛУ) [18] , которые ускоряют ионы до того, как они достигнут пластины в технологической камере. [18] В ионных имплантерах среднего тока также имеется нейтральная ионная ловушка перед технологической камерой для удаления нейтральных ионов из ионного пучка. [19]
Некоторые легирующие примеси, такие как алюминий, часто подаются в источник ионов не в виде газа, а в виде твердого соединения на основе хлора или йода, которое испаряется в соседнем тигле, таком как йодид алюминия или хлорид алюминия , или в виде твердой распыляемой мишени внутри источника ионов, изготовленного из оксида алюминия или нитрида алюминия . [14] Имплантация сурьмы часто требует использования испарителя, прикрепленного к источнику ионов, в котором трифторид сурьмы, триоксид сурьмы или твердая сурьма испаряются в тигле, а газ-носитель используется для направления паров в соседний источник ионов, хотя его также можно имплантировать из газа, содержащего фтор, такого как гексафторид сурьмы, или испарять из жидкого пентафторида сурьмы. [6] Галлий, селен и индий часто имплантируют из твердых источников, таких как диоксид селена для селена, хотя его также можно имплантировать из селенида водорода. Тигли часто служат 60–100 часов и не позволяют имплантерам ионов менять рецепты или параметры процесса менее чем за 20–30 минут. Источники ионов часто могут служить 300 часов. [20] [6]
Выбор «массы» (как в масс-спектрометре ) часто сопровождается прохождением извлеченного ионного пучка через область магнитного поля с выходным путем, ограниченным блокирующими отверстиями или «щелями», которые позволяют только ионам с определенным значением произведения массы и скорости/заряда продолжать движение по линии пучка. Если поверхность мишени больше диаметра ионного пучка и желательно равномерное распределение имплантированной дозы по поверхности мишени, то используется некоторая комбинация сканирования пучка и движения пластины. Наконец, имплантированная поверхность связана с некоторым методом сбора накопленного заряда имплантированных ионов, так что доставленная доза может измеряться непрерывно, а процесс имплантации останавливается на желаемом уровне дозы. [21]
Легирование полупроводников бором, фосфором или мышьяком является распространенным применением ионной имплантации. При имплантации в полупроводник каждый атом легирующей примеси может создать носитель заряда в полупроводнике после отжига . Для легирующей примеси p-типа может быть создана дырка , а для легирующей примеси n-типа — электрон . Это изменяет проводимость полупроводника в его окрестности. Этот метод используется, например, для регулировки порогового напряжения МОП -транзистора . Ионная имплантация практична из-за высокой чувствительности полупроводниковых приборов к инородным атомам, поскольку ионная имплантация не осаждает большое количество атомов. [2] Иногда, например, во время производства устройств на основе SiC, ионная имплантация проводится при нагревании пластины SiC до 500 °C. [22] Это известно как горячая имплантация и используется для контроля повреждения поверхности полупроводника. [23] [24] [25] Криогенные имплантаты (криоимплантаты) могут иметь тот же эффект. [26]
Энергии, используемые при легировании, часто варьируются от 1 кэВ до 3 МэВ, и невозможно построить ионный имплантер, способный обеспечивать ионы любой энергии из-за физических ограничений. Для увеличения пропускной способности ионных имплантеров были предприняты усилия по увеличению тока пучка, создаваемого имплантером. [2] Пучок может сканироваться по пластине магнитно, электростатически, [27] механически или с помощью комбинации этих методов. [28] [29] [30] Магнит анализатора масс используется для выбора ионов, которые будут имплантированы на пластину. [31] Ионная имплантация также используется в дисплеях, содержащих транзисторы LTPS. [18]
Ионная имплантация была разработана как метод производства pn-перехода фотоэлектрических устройств в конце 1970-х и начале 1980-х годов, [32] наряду с использованием импульсного электронного пучка для быстрого отжига, [33] хотя импульсный электронный пучок для быстрого отжига до сих пор не использовался для коммерческого производства. Ионная имплантация не используется в большинстве фотоэлектрических кремниевых ячеек, вместо этого используется термодиффузионное легирование. [34]
Одним из известных методов получения подложек «кремний на изоляторе» (SOI) из обычных кремниевых подложек является процесс SIMOX (разделение путем имплантации кислорода), при котором заглубленный имплантат с высокой дозой кислорода преобразуется в оксид кремния с помощью процесса высокотемпературного отжига .
Мезотаксия — это термин, обозначающий рост кристаллографически соответствующей фазы под поверхностью кристалла-хозяина (сравните с эпитаксией , которая представляет собой рост соответствующей фазы на поверхности подложки). В этом процессе ионы имплантируются с достаточно высокой энергией и дозой в материал для создания слоя второй фазы, а температура контролируется таким образом, чтобы кристаллическая структура мишени не разрушалась. Кристаллическая ориентация слоя может быть спроектирована так, чтобы соответствовать ориентации мишени, даже если точная кристаллическая структура и постоянная решетки могут сильно отличаться. Например, после имплантации ионов никеля в кремниевую пластину можно вырастить слой силицида никеля , в котором кристаллическая ориентация силицида соответствует кристаллической ориентации кремния.
Азот или другие ионы могут быть имплантированы в инструментальную стальную мишень (например, сверла). Структурное изменение, вызванное имплантацией, создает 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.
В некоторых приложениях, например, 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 проектирования поверхностей таких устройств для более надежной работы. Как и в случае инструментальных сталей, модификация поверхности, вызванная ионной имплантацией, включает как поверхностное сжатие, которое предотвращает распространение трещин, так и легирование поверхности, чтобы сделать ее более химически стойкой к коррозии.
Ионная имплантация может быть использована для достижения ионно-лучевого смешивания , т.е. смешивания атомов различных элементов на границе раздела. Это может быть полезно для достижения градуированных границ раздела или усиления адгезии между слоями несмешивающихся материалов.
Ионная имплантация может использоваться для получения наноразмерных частиц в оксидах, таких как сапфир и кремний . Частицы могут быть образованы в результате осаждения имплантированных ионами видов, они могут быть образованы в результате производства смешанных оксидных видов, которые содержат как имплантированный ионами элемент, так и оксидный субстрат, и они могут быть образованы в результате восстановления субстрата, о чем впервые сообщили Хант и Хэмпикян. [35] [36] [37] Типичные энергии ионного пучка, используемые для получения наночастиц, находятся в диапазоне от 50 до 150 кэВ, с ионными флюенсами в диапазоне от 10 16 до 10 18 ионов/см 2 . [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] В таблице ниже обобщены некоторые работы, которые были проделаны в этой области для сапфирового субстрата. Могут быть сформированы самые разные наночастицы размером от 1 нм до 20 нм, в состав которых могут входить имплантированные частицы, комбинации имплантированного иона и субстрата или которые состоят исключительно из катиона, связанного с субстратом.
Композитные материалы на основе диэлектриков, таких как сапфир, содержащие дисперсные металлические наночастицы, являются перспективными материалами для оптоэлектроники и нелинейной оптики . [42]
Каждый отдельный ион при ударе создает множество точечных дефектов в целевом кристалле, таких как вакансии и междоузлия. 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 положение. Затем этот целевой атом сам становится снарядом в твердом теле и может вызывать последовательные события столкновения . Междоузлия возникают, когда такие атомы (или сам исходный ион) останавливаются в твердом теле, но не находят свободного места в решетке для проживания. Эти точечные дефекты могут мигрировать и группироваться друг с другом, что приводит к образованию дислокационных петель и других дефектов.
Поскольку ионная имплантация вызывает повреждение кристаллической структуры мишени, что часто нежелательно, обработка ионной имплантации часто сопровождается термическим отжигом. Это можно назвать восстановлением повреждений.
Количество кристаллографических повреждений может быть достаточным для полной аморфизации поверхности мишени: т. е. она может стать аморфным твердым телом (такое твердое тело, полученное из расплава, называется стеклом ) . В некоторых случаях полная аморфизация мишени предпочтительнее, чем сильно дефектный кристалл: аморфизированная пленка может быть повторно выращена при более низкой температуре, чем требуется для отжига сильно поврежденного кристалла. Аморфизация подложки может произойти в результате повреждения пучком. Например, имплантация ионов иттрия в сапфир при энергии ионного пучка 150 кэВ до флюенса 5*10 16 Y + /см 2 дает аморфный стекловидный слой толщиной приблизительно 110 нм, измеренной от внешней поверхности. [Hunt, 1999]
Некоторые из событий столкновения приводят к выбрасыванию ( распылению ) атомов с поверхности, и, таким образом, ионная имплантация будет медленно вытравливать поверхность. Эффект заметен только для очень больших доз.
Если у мишени есть кристаллографическая структура, и особенно в полупроводниковых подложках, где кристаллическая структура более открыта, определенные кристаллографические направления обеспечивают гораздо более низкую остановку, чем другие направления. Результатом является то, что диапазон иона может быть намного больше, если ион движется точно вдоль определенного направления, например, направления <110> в кремнии и других алмазных кубических материалах. [47] Этот эффект называется каналированием ионов , и, как и все эффекты каналирования , является сильно нелинейным, с небольшими отклонениями от идеальной ориентации, приводящими к экстремальным различиям в глубине имплантации. По этой причине большая часть имплантации выполняется на несколько градусов вне оси, где крошечные ошибки выравнивания будут иметь более предсказуемые эффекты.
Каналирование ионов можно использовать непосредственно в методе резерфордовского обратного рассеяния и связанных с ним методах в качестве аналитического метода для определения количества и глубины профиля повреждений в кристаллических тонкопленочных материалах.
При изготовлении пластин токсичные материалы , такие как арсин и фосфин, часто используются в процессе ионного имплантирования. Другие распространенные канцерогенные , едкие , горючие или токсичные элементы включают сурьму , мышьяк , фосфор и бор . Предприятия по производству полупроводников высокоавтоматизированы, но остатки опасных элементов в машинах могут встречаться во время обслуживания и в оборудовании вакуумных насосов .
Высоковольтные источники питания, используемые в ионных ускорителях, необходимых для ионной имплантации, могут представлять риск поражения электрическим током . Кроме того, высокоэнергетические атомные столкновения могут генерировать рентгеновские лучи и, в некоторых случаях, другие ионизирующие излучения и радионуклиды . Помимо высокого напряжения, ускорители частиц, такие как радиочастотные линейные ускорители частиц и лазерные плазменные ускорители с кильватерным полем, представляют и другие опасности.