Іонна імплантація: поняття, принцип роботи, методи, призначення та застосування

Іонна імплантація – це низькотемпературний процес, за допомогою якого компоненти одного елемента прискорюються в тверду поверхню пластини, тим самим змінюючи фізичні, хімічні чи електричні властивості. Даний спосіб використовується у виробництві напівпровідникових приладів та у обробці металів, а також у дослідженнях матеріалознавства. Компоненти можуть змінювати елементний склад пластини, якщо вони зупиняються і залишаються в ній. Іонна імплантація також викликає хімічні і фізичні зміни, коли атоми стикаються з метою при високій енергії. Кристалічна структура пластини може бути пошкоджена або навіть знищена енергетичними каскадами зіткнень, і частинки досить високої енергії (10 Мев) можуть викликати ядерну трансмутацию.

Загальний принцип встановлення іонної імплантації

Обладнання зазвичай складається з джерела, де утворюються атоми бажаного елемента, прискорювача, де вони електростатично прискорюються до високої енергії, і камери-мішені, де вони стикаються з метою, яка є матеріалом. Таким чином, даний процес – це приватний випадок випромінювання частинок. Кожен іон зазвичай являє собою окремий атом або молекулу, і, таким чином, фактична кількість матеріалу, імплантованого в мішень, є інтегралом у часі іонного струму. Це число називається дозою. Струми, що подаються імплантатами, зазвичай малі (микроамперы), і, отже, кількість, яку можна імплантувати за розумний час, невелике. Тому іонна імплантація знаходить застосування в тих випадках, коли кількість необхідних хімічних змін невелика.

Типові енергії іонів знаходяться в діапазоні від 10 до 500 кев (від 1600 до 80000 аДж). Можна використовувати іонну імплантацію при низьких енергіях в діапазоні від 1 до 10 кев (від 160 до 1600 аДж), але при цьому проникнення становить усього кілька нанометрів або менше. Потужність нижче цього призводить до дуже незначного пошкодження цілі і потрапляє під позначення іонного пучкового осадження. І також можна використовувати більш високі енергії: поширені прискорювачі, здатні до 5 Мев (800 000 аДж). Тим не менш часто наноситься великий структурний збиток мети, і оскільки розподіл по глибині є широким (пік Брегга), чиста зміна складу в будь-якій точці мети буде невеликим.

Енергія іонів, а також різні види атомів і складу мішені визначають глибину проникнення часток в тверде тіло. Моноенергетичний іонний пучок зазвичай має широкий розподіл по глибині. Середня проникнення називається діапазоном. У типових умовах він буде між 10 нанометрами і 1 мікрометром. Таким чином, низкоэнергетическая іонна імплантація особливо корисна в тих випадках, коли бажано, щоб хімічне або структурна зміна було поблизу поверхні мішені. Частинки поступово втрачають свою енергію при проходженні через тверде тіло, як від випадкових зіткнень з атомами-мішенями (які викликають різкі перенесення енергії), так і від легкого гальмування від перекриття електронних орбіталей, що є безперервним процесом. Втрата енергії іонів в мішені називається зупинкою і може бути змодельована за допомогою методу іонної імплантації наближення бінарних зіткнень.

Прискорювальні системи зазвичай поділяються на середній струм, високий, велику енергію і дуже значну дозу.

Всі різновиди конструкцій пучків іонної імплантації містять певні загальні групи функціональних компонентів. Розглянемо приклади. Перші фізичні і фізико-хімічні основи іонної імплантації включають в себе пристрій, відоме як джерело для генерування частинок. Даний прилад тісно пов’язаний зі зміщеними електродами для вилучення атомів в лінію пучка і найчастіше з деякими засобами вибору для конкретних видів транспорту в головну секцію прискорювача. Обрання «маси» часто супроводжується проходженням виведеного іонного пучка через область магнітного поля з вихідним шляхом, обмеженим блокуючими отворами або щілинами», які допускають тільки іони з певним значенням добутку маси і швидкості. Якщо поверхня мішені більше діаметра іонного пучка і бажано рівномірніше розподілена імплантована доза по ній, то використовується певна комбінація сканування променя і руху пластини. Нарешті, мета з’єднується з деяким способом збору накопиченого заряду імплантованих іонів, так що доставляються доза може вимірюватися безперервним чином і процес зупиняється на бажаному рівні.