Іонна імплантація

Іо́нна імпланта́ція — спосіб введення атомів домішок у поверхневий шар пластини або епітаксіальної плівки шляхом бомбардування його поверхні пучком іонів домішки з високою енергією (10-2000 кеВ).

Установка для іонної імплантації.

Іонізація атомів домішки, прискорення іонів та фокусування іонного пучка виконується у спеціальних установках типу прискорювачів частинок у ядерній фізиці.

Іонна імплантація використовується при створенні напівпровідникових приладів методом планарної технології. Її також застосовують як метод легування металів для зміни їх фізичних і хімічних властивостей (підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості тощо).

Принцип іонної імплантації

Схема установки для іонної імплантації

Загальний опис процесу

Пучок позитивно заряджених іонів домішки у іонно-променевому прискорювачі бомбардує кристал напівпровідника. Проникаючи у кристал, домішка легує його і разом з тим викликає утворення радіаційних дефектів, погіршуючи тим самим його електрофізичні параметри. Розподіл концентрації атомів домішки у кристалі описується кривою Гауса, основним параметром якої є пробіг прискорених іонів. Глибина заглиблення іонів залежить від їх енергії та маси. Концентрація домішки в імплантованому шарі залежить від густини струму в іонному пучку і часу проведення процесу (експозиції). При невеликих дозах опромінення радіаційні дефекти не змінюють кристалічної структури напівпровідника, тоді як великі дози опромінення домішковими атомами призводять до аморфізації кристалу. Для усунення дефектів і впорядкування кристалічної ґратки кремнію виконують відпалення кристалу при температурі 500—800 °C.

Іонно-променевий прискорювач

Іонно-променевий прискорювач складається з таких основних блоків: джерела іонів, джерела високої напруги, прискорюючої трубки, магнітного сепаратора, системи фокусування пучка іонів, приймальної камери і вакуумної системи відкачки.

Джерела іонів

Робочі речовини для отримання іонів можуть знаходитися в газоподібному, твердому і рідкому станах. Для отримання іонів O⁺, Ne⁺, Ar⁺, F⁺, Cl⁺ використовують відповідний газ, що надходить до вакуумної камери джерела іонів. Широко застосовують рідкі речовини, особливо хлориди BCl₃, BBr₃, PCl₃, CCl₄, SiCl₄, які добре випаровуються при кімнатній температурі.

Застосування

Легування напівпровідників

Іонне легування широко застосовується при створенні напівпровідникових мікросхем та транзисторних приладів. На відміну від дифузії, іонне легування дозволяє створювати шари з товщиною меншою 0,1 мкм з високою відтворюваністю параметрів.

Іони елементів, які використовуються зазвичай для створення домішкової провідності, проникаючи у кристал напівпровідника, займають у його ґратці положення атомів заміщення і створюють відповідний тип провідності. Легуючи в монокристал кремнію іони III і V груп, можна отримати p-n перехід в будь-якому місці і на будь-якій площі кристалу.

При виготовленні біполярних транзисторів іонну імплантацію використовують для отримання емітера, бази, колектора, сильнолегованих областей для колекторного і базового контактів, розподільної дифузії, прихованих n⁺-шарів тощо.

Застосування в металургії

Іони азоту застосовуються для зміцнення поверхні сталевих ріжучих інструментів (фрези, свердла та ін). Імплантація цих іонів запобігає утворенню тріщин на поверхні металу і зменшує коррозійні та фрикційні властивості сталі, що є важливим у медицині при виготовлення протезів, авіа- і космобудованні.

Технологія іонної імплантації дозволяє обробляти робочі лопатки парових турбін розміром до 1700 мм.

Іонна імплантація використовується як один з методів для надання верхньому шару металу аморфної структури.

Джерела

• Степаненко И. П. Основы микроэлектроники:Учеб. пособие для вузов. — 2, перераб. и доп. — Москва : «Лаборатория Базовых Знаний», 2001. — С. 182. — ISBN 5-93208-045-0.
• Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — 3, перераб. и доп. — Москва : «Высшая школа», 1986. — С. 202.

Посилання

• Ion Source Technology [Архівовано 25 грудня 2014 у Wayback Machine.](англ.)
• Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.