Ion-Implantation ist ein Material-Technikprozess, durch den Ionen eines Materials in einem elektrischen Feld beschleunigt und in einen Festkörper zusammengepresst werden. Dieser Prozess wird verwendet, um die physischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften des Festkörpers zu ändern. Ion-Implantation wird in der Halbleiter-Gerät-Herstellung und im Metallvollenden, sowie den verschiedenen Anwendungen in der Material-Wissenschaftsforschung verwendet. Die Ionen verändern die elementare Zusammensetzung des Ziels, wenn sich die Ionen in der Zusammensetzung vom Ziel unterscheiden, halten Sie im Ziel an und bleiben Sie dort. Sie verursachen auch viel chemische und physische Änderung im Ziel, indem sie ihre Energie und Schwung zu den Elektronen und Atomkernen des Zielmaterials übertragen. Das verursacht eine Strukturänderung, darin die Kristallstruktur des Ziels kann beschädigt oder sogar durch die energischen Kollisionskaskaden zerstört werden. Weil die Ionen mit denjenigen der Zielatome vergleichbare Massen haben, schlagen sie die Zielatome fehl am Platz mehr als Elektronbalken. Wenn die Ion-Energie (gewöhnlich Zehnen von MeV) genug hoch ist, um die Ampere-Sekunde-Barriere zu überwinden, kann es sogar einen kleinen Betrag der Kernumwandlung geben.

Allgemeiner Grundsatz

Ion-Implantationsausrüstung besteht normalerweise aus einer Ion-Quelle, wo Ionen des gewünschten Elements, ein erzeugt werden

Gaspedal, wo die Ionen zu einer hohen Energie und einem Zielraum elektrostatisch beschleunigt werden, wo die Ionen an ein Ziel stoßen, das das Material ist, um implanted zu sein. So ist Ion-Implantation ein spezieller Fall von

Partikel-Radiation.

Jedes Ion ist normalerweise ein einzelnes Atom oder Molekül, und so ist der wirkliche Betrag des Materials implanted im Ziel das Integral mit der Zeit des Ion-Stroms. Dieser Betrag wird die Dosis genannt. Die durch implanters gelieferten Ströme sind (Mikroampere) normalerweise klein, und so ist die Dosis, die implanted in einer angemessenen Zeitdauer sein kann, klein. Deshalb findet Ion-Implantation Anwendung in Fällen, wo der Betrag der chemischen erforderlichen Änderung klein ist.

Typische Ion-Energien sind im Rahmen 10 bis 500 keV (1,600 bis 80,000 aJ). Energien in der Reihe 1 bis 10 keV (160 bis 1,600 aJ) können verwendet werden, aber auf ein Durchdringen nur einiger Nanometer oder weniger hinauslaufen. Energien tiefer als das laufen auf sehr wenig Schaden am Ziel und Fall unter der Benennungsion-Balken-Absetzung hinaus. Höhere Energien können auch verwendet werden: Gaspedale, die zu 5 MeV (800,000 aJ) fähig sind, sind üblich. Jedoch gibt es häufig großen Strukturschaden am Ziel, und weil der Tiefe-Vertrieb breit ist (Spitze von Bragg), wird die Nettozusammensetzungsänderung an jedem Punkt im Ziel klein sein.

Die Energie der Ionen, sowie die Ion-Arten und die Zusammensetzung des Ziels bestimmen die Tiefe des Durchdringens der Ionen im Festkörper: Ein monoenergischer Ion-Balken wird allgemein einen breiten Tiefe-Vertrieb haben. Die durchschnittliche Durchdringen-Tiefe wird die Reihe der Ionen genannt. Unter typischen Verhältnissen werden Ion-Reihen zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer sein. So ist Ion-Implantation in Fällen besonders nützlich, wo die chemische oder strukturelle Änderung gewünscht wird, um in der Nähe von der Oberfläche des Ziels zu sein. Ionen verlieren allmählich ihre Energie, als sie durch den Festkörper, beide von gelegentlichen Kollisionen mit Zielatomen reisen (die plötzliche Energieübertragungen verursachen), und von einer milden Schinderei vom Übergreifen des Elektrons orbitals, der ein dauernder Prozess ist. Der Verlust der Ion-Energie im Ziel wird genannt anhaltend und kann mit der binären Kollisionsannäherungsmethode vorgetäuscht werden.

Anwendung in der Halbleiter-Gerät-Herstellung

Doping

Die Einführung von dopants in einem Halbleiter ist die allgemeinste Anwendung der Ion-Implantation. Ionen von Dopant wie Bor, Phosphor oder Arsen werden allgemein von einer Gasquelle geschaffen, so dass die Reinheit der Quelle sehr hoch sein kann. Dieses Benzin neigt dazu, sehr gefährlich zu sein. Wenn implanted in einem Halbleiter, jedes dopant Atom ein Anklage-Transportunternehmen im Halbleiter nach dem Ausglühen schaffen kann. Ein Loch kann für einen P-Typ dopant und ein Elektron für einen n-leitenden dopant geschaffen werden. Das modifiziert das Leitvermögen des Halbleiters in seiner Umgebung. Die Technik wird zum Beispiel verwendet, für die Schwelle eines MOSFET anzupassen.

Ion-Implantation wurde als eine Methode entwickelt, den p-n Verbindungspunkt von photovoltaic Geräten gegen Ende der 1970er Jahre und Anfang der 1980er Jahre zusammen mit dem Gebrauch des Balkens des pulsierten Elektrons für das schnelle Ausglühen zu erzeugen, obwohl es für die kommerzielle Produktion nicht bis heute verwendet worden ist.

Silikon auf dem Isolator

Eine prominente Methode, um Substrate des Silikons auf dem Isolator (SOI) von herkömmlichen Silikonsubstraten vorzubereiten, ist der SIMOX (Trennung durch die Implantation von Sauerstoff) Prozess, worin ein begrabener hoher Dosis-Sauerstoff implant zu Silikonoxyd durch einen hohen Temperaturausglühen-Prozess umgewandelt wird.

Mesotaxy

Mesotaxy ist der Begriff für das Wachstum eines crystallographically das Zusammenbringen der Phase unter der Oberfläche des Gastgeber-Kristalls (vergleichen Sie sich mit dem Kristallwachstum, das das Wachstum der zusammenpassenden Phase auf der Oberfläche eines Substrats ist). In diesem Prozess sind Ionen implanted an einer genug hohen Energie und Dosis in ein Material, um eine Schicht einer zweiten Phase zu schaffen, und die Temperatur wird kontrolliert, so dass die Kristallstruktur des Ziels nicht zerstört wird. Die Kristallorientierung der Schicht kann konstruiert werden, um dieses des Ziels zu vergleichen, wenn auch die genaue Kristallstruktur und das unveränderliche Gitter sehr verschieden sein können. Zum Beispiel, nach der Implantation von Nickel-Ionen in eine Silikonoblate, kann eine Schicht von Nickel silicide in der die Kristallorientierung der Silicide-Matchs dieses des Silikons angebaut werden.

Anwendung im Metallvollenden

Das Werkzeug-Stahlabhärten

Stickstoff oder andere Ionen können implanted in ein Werkzeug-Stahlziel (Bohrmaschine-Bit, zum Beispiel) sein. Die durch die Implantation verursachte Strukturänderung erzeugt eine Oberflächenkompression im Stahl, der Sprungfortpflanzung verhindert und so das Material widerstandsfähiger gegen Bruch macht. Die chemische Änderung kann auch das Werkzeug widerstandsfähiger gegen die Korrosion machen.

Das Oberflächenvollenden

In einigen Anwendungen, zum Beispiel prothetische Geräte wie künstliche Gelenke, wird es gewünscht, um Oberflächen zu haben, die sowohl gegen die chemische Korrosion sehr widerstandsfähig sind als auch wegen der Reibung zu halten. Ion-Implantation wird in solchen Fällen verwendet, um die Oberflächen solcher Geräte für die zuverlässigere Leistung zu konstruieren. Als im Fall von Werkzeug-Stahlen schließt die durch die Ion-Implantation verursachte Oberflächenmodifizierung sowohl eine Oberflächenkompression ein, die Sprungfortpflanzung als auch eine Legierung der Oberfläche verhindert, es chemischer widerstandsfähig gegen die Korrosion zu machen.

Andere Anwendungen

Das Ion-Balken-Mischen

Ion-Implantation kann verwendet werden, um das Ion-Balken-Mischen, d. h. Verwechseln-Atome von verschiedenen Elementen an einer Schnittstelle zu erreichen. Das kann nützlich sein, um sortierte Schnittstellen zu erreichen oder Festkleben zwischen Schichten von unvermischbaren Materialien zu stärken.

Probleme mit der Ion-Implantation

Schaden von Crystallographic

Jedes individuelle Ion erzeugt viele Punkt-Defekte im Zielkristall auf dem Einfluss wie Vakanzen und interstitials. Vakanzen sind durch ein Atom freie Kristallgitter-Punkte: In diesem Fall kollidiert das Ion mit einem Zielatom, auf Übertragung eines bedeutenden Betrags der Energie zum solchem Zielatom hinauslaufend, dass es seine Kristallseite verlässt. Dieses Zielatom dann selbst wird eine Kugel im Festkörper, und kann aufeinander folgende Kollisionsereignisse verursachen.

Interstitials resultieren, wenn solche Atome (oder das ursprüngliche Ion selbst) kommen, um sich im Festkörper auszuruhen, aber zu finden, dass kein freier Raum im Gitter wohnt. Diese Punkt-Defekte können abwandern und Traube mit einander, auf Verlagerungsschleifen und andere Defekte hinauslaufend.

Schaden-Wiederherstellung

Weil Ion-Implantation der Kristallstruktur des Ziels Schaden verursacht, das häufig unerwünscht ist, wird Ion-Implantationsverarbeitung häufig von einem Thermalausglühen gefolgt. Das kann Schaden-Wiederherstellung genannt werden.

Amorphization

Der Betrag des Crystallographic-Schadens kann genug zu völlig amorphize die Oberfläche des Ziels sein: D. h. es kann ein amorpher Festkörper werden (solch ein von einem Schmelzen erzeugter Festkörper wird ein Glas genannt). Vollenden Sie in einigen Fällen amorphization eines Ziels ist einem hoch fehlerhaften Kristall vorzuziehend: Ein amorphized Film kann bei einer niedrigeren Temperatur wiederangebaut werden als erforderlich, um einen hoch beschädigten Kristall auszuglühen.

Das Spritzen

Einige der Kollisionsereignisse laufen auf Atome hinaus, die vertreiben werden, hat von der Oberfläche (gestottert), und so wird Ion-Implantation eine Oberfläche langsam abätzen. Die Wirkung ist nur für sehr große Dosen merklich.

Das Ion-Leiten

Wenn es eine crystallographic Struktur zum Ziel, und besonders in Halbleiter-Substraten gibt, wo die Kristallstruktur offener ist, besondere crystallographic Richtungen das viel niedrigere Aufhören anbieten als andere Richtungen. Das Ergebnis besteht darin, dass die Reihe eines Ions viel länger sein kann, wenn das Ion genau entlang einer besonderen Richtung, zum Beispiel reist

Das Ion-Leiten kann direkt in Rutherford backscattering und zusammenhängenden Techniken als eine analytische Methode verwendet werden, den Betrag und das Tiefe-Profil des Schadens in kristallenen dünnen Filmmaterialien zu bestimmen.

Zeichen der Gefahrstoffe

Im Ion-Implantationshalbleiter-Herstellungsprozess von Oblaten ist es für die Arbeiter wichtig, ihre Aussetzung von den toxischen Materialien zu minimieren, sind

verwendet im Ion implanter Prozess. Solche gefährlichen Elemente, feste Quelle und gasses, werden wie arsine und phosphine verwendet. Deshalb werden die Halbleiter-Herstellungsmöglichkeiten hoch automatisiert, und können negatives sicheres Lieferdruck-Gasflasche-System (SDS) zeigen. Andere Elemente können Antimon, Arsen, Phosphor und Bor einschließen. Der Rückstand dieser Elemente taucht auf, wenn die Maschine zur Atmosphäre geöffnet wird, und auch angesammelt und konzentriert in der Vakuumpumpe-Hardware gefunden werden kann. Es ist wichtig, sich zu diesen karzinogene, zerfressende, feuergefährliche und toxische Elemente nicht auszustellen. Viele überlappende Sicherheitsprotokolle müssen verwendet werden, wenn man diese totenähnlich Zusammensetzungen behandelt. Verwenden Sie Sicherheit, und lesen Sie MSDSs.

Hochspannungssicherheit

Der Hochspannungsmacht-Bedarf in der Ion-Implantationsausrüstung kann eine Gefahr der Tötung durch Stromschlag aufstellen. Außerdem können energiereiche Atomkollisionen Röntgenstrahlen und, in einigen Fällen, andere ionisierende Strahlung und Radionuklide erzeugen. Maschinenbediener und Wartungspersonal sollten erfahren und dem Sicherheitsrat des Herstellers und/oder der für die Ausrüstung verantwortlichen Einrichtung folgen. Vor dem Zugang zum Hochspannungsgebiet müssen Endbestandteile mit einem sich gründenden Stock niedergelegt werden. Dann sollte Macht-Bedarf in vom Staat geschlossen und markiert werden, um das unerlaubte Anziehen zu verhindern.

Andere Typen des Partikel-Gaspedals, wie Radiofrequenz geradlinige Partikel-Gaspedale und Laser wakefield Plasmagaspedale haben ihre eigenen Gefahren.

Hersteller der Ion-Implantationsausrüstung

• Fortgeschrittene Ion-Balken-Technologie
• Axcelis Technologien
• Ganze Ionen
• Erleichterungszentrum für Industrieplasmatechnologien
• Global Technologies, R&D Ausrüstung und Dienst
• Ion-Balken-Dienstleistungen
• Ausrüstung von Nissin Ion
• SemEquip
• SEN Corporation
• Elektron von Tokio beschränkter
• Ulvac Technologien
• Varian Halbleiter-Ausrüstung

Außenverbindungen

• HALB-ein Halbleiter Standards und Handelsorganisation
• Ion-Implantation
• Der Code von James Ziegler, um Ion-Implantation vorzutäuschen.