Ionenimplantation: Konzept, Funktionsprinzip, Methoden, Zweck und Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Ionenimplantation ist ein Niedertemperaturprozess, bei dem die Komponenten eines einzelnen Elements in die feste Oberfläche eines Wafers beschleunigt werden, wodurch seine physikalischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften verändert werden. Dieses Verfahren wird in der Herstellung von Halbleiterbauelementen und in der Metallveredelung sowie in der materialwissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Komponenten können die elementare Zusammensetzung der Platte verändern, wenn sie anh alten und darin verbleiben. Die Ionenimplantation verursacht auch chemische und physikalische Veränderungen, wenn Atome mit hoher Energie mit einem Ziel kollidieren. Die kristalline Struktur der Platte kann durch Energiekaskaden von Kollisionen beschädigt oder sogar zerstört werden, und Teilchen mit ausreichend hoher Energie (10 MeV) können eine Kerntransmutation verursachen.

Allgemeines Prinzip der Ionenimplantation

Die Ausrüstung besteht normalerweise aus einer Quelle, in der Atome des gewünschten Elements gebildet werden, einem Beschleuniger, in dem sie elektrostatisch auf ein Hoch beschleunigt werdenEnergie und Targetkammern, wo sie mit dem Target, dem Material, kollidieren. Somit ist dieser Vorgang ein Sonderfall der Teilchenstrahlung. Jedes Ion ist normalerweise ein einzelnes Atom oder Molekül, und somit ist die tatsächliche in das Target implantierte Materialmenge das Zeitintegral des Ionenstroms. Diese Zahl wird Dosis genannt. Die von Implantaten gelieferten Ströme sind normalerweise klein (Mikroampere) und daher ist die Menge, die in einer angemessenen Zeit implantiert werden kann, gering. Daher wird die Ionenimplantation in Fällen verwendet, in denen die Anzahl der erforderlichen chemischen Änderungen gering ist.

Typische Ionenenergien reichen von 10 bis 500 keV (1600 bis 80000 aJ). Die Ionenimplantation kann bei niedrigen Energien im Bereich von 1 bis 10 keV (160 bis 1600 aJ) verwendet werden, aber die Penetration beträgt nur wenige Nanometer oder weniger. Eine darunter liegende Leistung führt zu einer sehr geringen Beschädigung des Targets und fällt unter die Bezeichnung Ionenstrahlabscheidung. Und auch höhere Energien können verwendet werden: Beschleuniger mit 5 MeV (800.000 aJ) sind üblich. Das Ziel ist jedoch oft stark strukturell beschädigt, und da die Tiefenverteilung breit ist (Bragg-Peak), ist die Nettoänderung der Zusammensetzung an jedem Punkt des Ziels gering.

Die Energie der Ionen sowie verschiedene Atomsorten und die Zusammensetzung des Targets bestimmen die Eindringtiefe von Partikeln in einen Festkörper. Ein monoenergetischer Ionenstrahl hat üblicherweise eine breite Tiefenverteilung. Die durchschnittliche Durchdringung wird als Reichweite bezeichnet. BEIunter typischen Bedingungen liegt sie zwischen 10 Nanometer und 1 Mikrometer. Daher ist eine niederenergetische Ionenimplantation besonders nützlich in Fällen, in denen es erwünscht ist, dass die chemische oder strukturelle Veränderung nahe der Zieloberfläche stattfindet. Partikel verlieren allmählich ihre Energie, wenn sie einen Festkörper passieren, sowohl durch zufällige Kollisionen mit Zielatomen (die abrupte Energieübertragungen verursachen) als auch durch leichte Verzögerung durch die Überlappung von Elektronenorbitalen, was ein kontinuierlicher Prozess ist. Der Energieverlust von Ionen in einem Target wird Stalling genannt und kann mit der Ionenimplantationsmethode der binären Kollisionsnäherung modelliert werden.

Beschleunigersysteme werden im Allgemeinen in Mittelstrom, Hochstrom, Hochenergie und sehr hohe Dosis eingeteilt.

Alle Arten von Ionenimplantationsstrahlkonstruktionen enth alten bestimmte gemeinsame Gruppen von funktionellen Komponenten. Betrachten Sie Beispiele. Die ersten physikalischen und physikalisch-chemischen Grundlagen der Ionenimplantation umfassen eine als Quelle bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Teilchen. Diese Vorrichtung ist eng mit vorgespannten Elektroden zum Extrahieren von Atomen in die Strahllinie und meistens mit Mitteln zum Auswählen spezifischer Modi für den Transport zum Hauptabschnitt des Beschleunigers verbunden. Die Auswahl von "Masse" wird oft von dem Durchgang des extrahierten Ionenstrahls durch einen Magnetfeldbereich mit einem Austrittsweg begleitet, der durch blockierende Löcher oder "Schlitze" begrenzt ist, die nur Ionen mit einem bestimmten Wert des Produkts aus Masse und Geschwindigkeit zulassen. Wenn die Zielfläche größer ist als der Ionenstrahldurchmesser undWenn die implantierte Dosis gleichmäßiger darüber verteilt ist, wird eine Kombination aus Strahlabtastung und Plattenbewegung verwendet. Schließlich wird das Ziel mit einer Möglichkeit verbunden, die akkumulierte Ladung der implantierten Ionen zu sammeln, sodass die abgegebene Dosis kontinuierlich gemessen und der Prozess auf dem gewünschten Niveau gestoppt werden kann.

Anwendung in der Halbleiterfertigung

Doping mit Bor, Phosphor oder Arsen ist eine gängige Anwendung dieses Verfahrens. Bei der Ionenimplantation von Halbleitern kann jedes Dotierungsatom nach dem Tempern einen Ladungsträger erzeugen. Sie können ein Loch für einen Dotierstoff vom p-Typ und ein Elektron vom n-Typ bauen. Dadurch ändert sich die Leitfähigkeit des Halbleiters in seiner Umgebung. Die Technik wird beispielsweise verwendet, um die Schwelle eines MOSFET anzupassen.

Die Ionenimplantation wurde in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren als Methode entwickelt, um einen pn-Übergang in Photovoltaikgeräten zu erh alten, zusammen mit der Verwendung eines gepulsten Elektronenstrahls zum schnellen Ausheilen, obwohl sie bis heute nicht kommerzialisiert wurde.

Silizium auf Isolator

Eine der bekannten Methoden zur Herstellung dieses Materials auf Isolator(SOI)-Substraten aus herkömmlichen Siliziumsubstraten ist das SIMOX-Verfahren (Separation by Oxygen Implantation), bei dem hochdosierte Luft durch a Hochtemperaturglühprozess.

Mesotaxie

Dies ist der Begriff für kristallographisches Wachstumzusammenfallende Phase unter der Oberfläche des Hauptkristalls. Dabei werden Ionen mit ausreichend hoher Energie und Dosis in das Material implantiert, um eine Zweitphasenschicht zu erzeugen, und die Temperatur so gesteuert, dass die Zielstruktur nicht zerstört wird. Die Kristallorientierung der Schicht kann dem Zweck entsprechend gest altet werden, auch wenn die genaue Gitterkonstante sehr unterschiedlich sein kann. Beispielsweise kann nach der Implantation von Nickelionen in einen Siliziumwafer eine Silizidschicht aufgewachsen werden, deren Kristallorientierung mit der von Silizium übereinstimmt.

Metall-Finish-Anwendung

Stickstoff oder andere Ionen können in ein Ziel aus Werkzeugstahl (z. B. einen Bohrer) implantiert werden. Durch die Gefügeveränderung entsteht eine Oberflächenverdichtung im Material, die eine Rissausbreitung verhindert und somit bruchfester macht.

Oberflächenbeschaffenheit

Bei manchen Anwendungen, zum Beispiel für Prothesen wie künstliche Gelenke, ist es wünschenswert, ein Target zu haben, das sowohl gegen chemische Korrosion als auch gegen Abrieb aufgrund von Reibung sehr widerstandsfähig ist. Ionenimplantation wird verwendet, um die Oberflächen solcher Vorrichtungen für eine zuverlässigere Leistung zu gest alten. Wie bei Werkzeugstählen umfasst die durch Ionenimplantation verursachte Zielmodifikation sowohl die Oberflächenkompression, um die Rissausbreitung zu verhindern, als auch die Legierung, um sie chemisch widerstandsfähiger gegen Korrosion zu machen.

AndereAnwendungen

Implantation kann verwendet werden, um eine Mischung von Ionenstrahlen zu erreichen, dh eine Mischung von Atomen verschiedener Elemente an der Grenzfläche. Dies kann nützlich sein, um abgestufte Oberflächen zu erzielen oder die Haftung zwischen Schichten nicht mischbarer Materialien zu verbessern.

Bildung von Nanopartikeln

Ionenimplantation kann verwendet werden, um nanoskalige Materialien in Oxiden wie Saphir und Siliziumdioxid zu induzieren. Atome können durch Ausfällung oder die Bildung gemischter Substanzen gebildet werden, die sowohl ein ionenimplantiertes Element als auch ein Substrat enth alten.

Typische Ionenstrahlenergien, die verwendet werden, um Nanopartikel zu erh alten, liegen im Bereich von 50 bis 150 keV, und die Ionenfluenz beträgt 10-16 bis 10-18 kV. siehe Es kann eine Vielzahl von Materialien mit Größen von 1 nm bis 20 nm und mit Zusammensetzungen gebildet werden, die implantierte Partikel enth alten können, Kombinationen, die nur aus einem an das Substrat gebundenen Kation bestehen.

Dielektrikum-basierte Materialien wie Saphir, die dispergierte Nanopartikel für die Implantation von Metallionen enth alten, sind vielversprechende Materialien für Optoelektronik und nichtlineare Optik.

Probleme

Jedes einzelne Ion erzeugt beim Aufprall oder Zwischengitter viele Punktdefekte im Zielkristall. Leerstellen sind Gitterpunkte, die nicht von einem Atom besetzt sind: In diesem Fall kollidiert das Ion mit dem Zielatom, was zur Übertragung einer erheblichen Energiemenge auf dieses führt, sodass es seine verlässtHandlung. Dieses Zielobjekt wird selbst zu einem Projektil in einem festen Körper und kann aufeinander folgende Kollisionen verursachen. Zwischenräume entstehen, wenn solche Teilchen in einem Festkörper H alt machen, aber im Gitter keinen freien Platz zum Leben finden. Diese Punktdefekte während der Ionenimplantation können wandern und sich zusammenballen, was zur Bildung von Versetzungsschleifen und anderen Problemen führt.

Amorphisierung

Die Menge an kristallografischem Schaden kann ausreichen, um die Zieloberfläche vollständig umzuwandeln, dh sie muss zu einem amorphen Festkörper werden. In einigen Fällen ist eine vollständige Amorphisierung des Targets einem Kristall mit einem hohen Grad an Defekten vorzuziehen: Ein solcher Film kann bei einer niedrigeren Temperatur nachwachsen, als zum Ausheilen eines stark beschädigten Kristalls erforderlich ist. Durch Strahlveränderungen kann es zu einer Amorphisierung des Substrats kommen. Beispielsweise beim Implantieren von Yttrium-Ionen in Saphir bei einer Strahlenergie von 150 keV bis zu einer Fluenz von 510-16 Y+/sq. cm bildet sich eine ca. 110 nm dicke Glasschicht, gemessen von der Außenfläche.

Spritzen

Einige der Kollisionsereignisse führen dazu, dass Atome aus der Oberfläche herausgeschleudert werden, und daher wird die Ionenimplantation die Oberfläche langsam wegätzen. Die Wirkung ist nur bei sehr hohen Dosen bemerkbar.

Ionenkanal

Wenn eine kristallographische Struktur auf das Target aufgebracht wird, insbesondere bei Halbleitersubstraten, wo es mehr istoffen ist, dann h alten bestimmte Richtungen viel weniger an als andere. Das Ergebnis ist, dass die Reichweite eines Ions viel größer sein kann, wenn es sich genau entlang eines bestimmten Pfades bewegt, wie z. B. in Silizium und anderen kubischen Diamantmaterialien. Dieser Effekt wird als Ionenkanalisierung bezeichnet und ist, wie alle ähnlichen Effekte, hochgradig nichtlinear, wobei kleine Abweichungen von der idealen Ausrichtung zu erheblichen Unterschieden in der Implantationstiefe führen. Aus diesem Grund laufen die meisten ein paar Grad außerhalb der Achse, wo kleine Ausrichtungsfehler besser vorhersagbare Auswirkungen haben.