Ionenimplantation - Ion implantation

Ein Ionenimplantationssystem im Technologiezentrum LAAS in Toulouse, Frankreich.

Ionenimplantation ist ein Niedertemperaturprozess, bei dem Ionen eines Elements in ein festes Target beschleunigt werden, wodurch die physikalischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften des Targets verändert werden. Die Ionenimplantation wird bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und bei der Metallveredelung sowie in der materialwissenschaftlichen Forschung verwendet. Die Ionen können die elementare Zusammensetzung des Targets verändern (wenn sich die Ionen in der Zusammensetzung vom Target unterscheiden), wenn sie aufhören und im Target verbleiben. Die Ionenimplantation verursacht auch chemische und physikalische Veränderungen, wenn die Ionen mit hoher Energie auf das Target auftreffen. Die Kristallstruktur des Targets kann durch die energetischen Kollisionskaskaden beschädigt oder sogar zerstört werden , und Ionen mit ausreichend hoher Energie (10 s von MeV) können eine Kerntransmutation verursachen .

Allgemeines Prinzip

Ionenimplantationsaufbau mit Massenseparator

Ionenimplantationsausrüstung besteht typischerweise aus einer Ionenquelle , in der Ionen des gewünschten Elements erzeugt werden, einem Beschleuniger , in dem die Ionen elektrostatisch auf eine hohe Energie beschleunigt werden, und einer Targetkammer, in der die Ionen auf ein Target auftreffen, das das Material ist implantiert werden. Somit ist die Ionenimplantation ein Sonderfall der Teilchenstrahlung . Jedes Ion ist typischerweise ein einzelnes Atom oder Molekül, und somit ist die tatsächlich in das Target implantierte Materialmenge das Integral des Ionenstroms über die Zeit. Diese Menge wird Dosis genannt. Die von Implantaten gelieferten Ströme sind typischerweise klein (Mikroampere), und somit ist die Dosis, die in einer angemessenen Zeit implantiert werden kann, klein. Daher findet die Ionenimplantation in Fällen Anwendung, in denen die erforderliche Menge an chemischer Änderung gering ist.

Typische Ionenenergien liegen im Bereich von 10 bis 500 keV (1.600 bis 80.000 aJ). Energien im Bereich von 1 bis 10 keV (160 bis 1.600 aJ) können verwendet werden, führen jedoch zu einer Penetration von nur wenigen Nanometern oder weniger. Niedrigere Energien führen zu einer sehr geringen Beschädigung des Targets und fallen unter die Bezeichnung Ionenstrahlabscheidung . Auch höhere Energien können genutzt werden: Beschleuniger mit einer Leistung von 5 MeV (800.000 aJ) sind üblich. Das Ziel weist jedoch häufig große strukturelle Schäden auf, und da die Tiefenverteilung breit ist ( Bragg-Peak ), wird die Nettozusammensetzungsänderung an jedem Punkt im Ziel gering sein.

Die Energie der Ionen sowie die Ionenspezies und die Zusammensetzung des Targets bestimmen die Eindringtiefe der Ionen in den Festkörper: Ein monoenergetischer Ionenstrahl weist im Allgemeinen eine breite Tiefenverteilung auf. Die durchschnittliche Eindringtiefe wird als Reichweite der Ionen bezeichnet. Unter typischen Umständen liegen die Ionenbereiche zwischen 10 Nanometer und 1 Mikrometer. Somit ist die Ionenimplantation besonders nützlich in Fällen, in denen die chemische oder strukturelle Änderung in der Nähe der Oberfläche des Targets erfolgen soll. Ionen verlieren auf ihrem Weg durch den Festkörper allmählich ihre Energie, sowohl durch gelegentliche Kollisionen mit Zielatomen (die zu abrupten Energieübertragungen führen) als auch durch einen leichten Widerstand durch Überlappung von Elektronenorbitalen, der ein kontinuierlicher Prozess ist. Der Verlust an Ionenenergie im Target wird als Stoppen bezeichnet und kann mit der binären Kollisions-Approximationsmethode simuliert werden.

Beschleunigersysteme für die Ionenimplantation werden im Allgemeinen in Mittelstrom (Ionenstrahlströme zwischen 10 μA und ~2 mA), Hochstrom (Ionenstrahlströme bis ~30 mA), Hochenergie (Ionenenergien über 200 keV und bis zu 10 MeV .) eingeteilt ) und sehr hohe Dosis (effiziente Implantation einer Dosis von mehr als 10 16 Ionen/cm 2 ).

Alle Varianten von Beamline-Designs für die Ionenimplantation enthalten bestimmte allgemeine Gruppen von Funktionskomponenten (siehe Bild). Das erste Hauptsegment einer Ionenstrahlleitung umfasst eine als Ionenquelle bekannte Vorrichtung zum Erzeugen der Ionenspezies. Die Quelle ist eng mit vorgespannten Elektroden gekoppelt, um die Ionen in die Strahlleitung zu extrahieren, und meistens mit einigen Mitteln zum Auswählen einer bestimmten Ionenart für den Transport in den Hauptbeschleunigerabschnitt. Die "Masse"-Auswahl wird oft vom Durchgang des extrahierten Ionenstrahls durch einen Magnetfeldbereich mit einem durch Sperröffnungen oder "Schlitze" begrenzten Austrittsweg begleitet, die nur Ionen mit einem bestimmten Wert des Produkts aus Masse und Geschwindigkeit/ aufladen, um die Strahllinie hinunterzufahren. Wenn die Zieloberfläche größer als der Ionenstrahldurchmesser ist und eine gleichmäßige Verteilung der implantierten Dosis über die Zieloberfläche erwünscht ist, dann wird eine Kombination aus Strahlabtastung und Waferbewegung verwendet. Schließlich wird die implantierte Oberfläche mit einem Verfahren zum Sammeln der akkumulierten Ladung der implantierten Ionen gekoppelt, so dass die abgegebene Dosis kontinuierlich gemessen werden kann und der Implantationsprozess bei dem gewünschten Dosisniveau gestoppt werden kann.

Anwendung in der Herstellung von Halbleiterbauelementen

Doping

Die Dotierung von Halbleitern mit Bor, Phosphor oder Arsen ist eine gängige Anwendung der Ionenimplantation. Bei Implantation in einen Halbleiter kann jedes Dotierstoffatom nach dem Tempern einen Ladungsträger im Halbleiter erzeugen . Ein Loch kann für einen Dotierstoff vom p-Typ und ein Elektron für einen Dotierstoff vom n-Typ erzeugt werden . Dies verändert die Leitfähigkeit des Halbleiters in seiner Umgebung. Die Technik wird beispielsweise zum Einstellen der Schwellenspannung eines MOSFET verwendet .

Die Ionenimplantation wurde in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren als Verfahren zur Herstellung des pn-Übergangs von photovoltaischen Geräten entwickelt, zusammen mit der Verwendung von gepulsten Elektronenstrahlen zum schnellen Ausheilen, obwohl sie bis heute nicht für die kommerzielle Produktion verwendet wurde.

Silizium auf Isolator

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Substraten aus herkömmlichen Siliziumsubstraten ist der SIMOX- Prozess (Separation durch Sauerstoffimplantation), bei dem eine vergrabene Sauerstoffimplantation mit hoher Dosis durch einen Hochtemperatur- Ausheilprozess in Siliziumoxid umgewandelt wird.

Mesotaxie

Mesotaxie ist der Begriff für das Wachstum einer kristallographisch passenden Phase unterhalb der Oberfläche des Wirtskristalls (vergleiche Epitaxie , das Wachstum der passenden Phase auf der Oberfläche eines Substrats). Bei diesem Prozess werden Ionen mit ausreichend hoher Energie und Dosis in ein Material implantiert, um eine Schicht einer zweiten Phase zu erzeugen, und die Temperatur wird so gesteuert, dass die Kristallstruktur des Targets nicht zerstört wird. Die Kristallorientierung der Schicht kann so konstruiert werden, dass sie der des Targets entspricht, auch wenn die genaue Kristallstruktur und Gitterkonstante sehr unterschiedlich sein können. Beispielsweise kann nach der Implantation von Nickelionen in einen Siliziumwafer eine Schicht aus Nickelsilizid aufgewachsen werden, in der die Kristallorientierung des Silizids der des Siliziums entspricht.

Anwendung in der Metallveredelung

Vorspannen von Werkzeugstahl

Stickstoff oder andere Ionen können in ein Werkzeugstahl-Target (zB Bohrer) implantiert werden. Die durch die Implantation bedingte Gefügeveränderung erzeugt im Stahl eine Oberflächenkompression, die eine Rissausbreitung verhindert und damit das Material bruchfester macht. Die chemische Veränderung kann das Werkzeug auch korrosionsbeständiger machen.

Oberflächenveredelung

Bei einigen Anwendungen, beispielsweise prothetischen Vorrichtungen wie künstlichen Gelenken, ist es erwünscht, Oberflächen zu haben, die sowohl gegen chemische Korrosion als auch gegen Abrieb aufgrund von Reibung sehr beständig sind. In solchen Fällen wird die Ionenimplantation verwendet, um die Oberflächen solcher Geräte für eine zuverlässigere Leistung zu konstruieren. Wie bei Werkzeugstählen umfasst die durch Ionenimplantation bewirkte Oberflächenmodifikation sowohl eine Oberflächenkompression, die eine Rissausbreitung verhindert, als auch ein Auflegieren der Oberfläche, um sie chemisch korrosionsbeständiger zu machen.

Andere Anwendungen

Ionenstrahlmischung

Ionenimplantation kann verwendet werden, um eine Ionenstrahlmischung zu erreichen , dh Atome verschiedener Elemente an einer Grenzfläche zu mischen. Dies kann nützlich sein, um abgestufte Grenzflächen zu erzielen oder die Haftung zwischen Schichten nicht mischbarer Materialien zu verstärken.

Ionenimplantation induzierte Nanopartikelbildung

Ionenimplantation kann verwendet werden, um nanodimensionale Partikel in Oxiden wie Saphir und Siliziumdioxid zu induzieren . Die Partikel können als Ergebnis der Präzipitation der ionenimplantierten Spezies gebildet werden, sie können als Ergebnis der Produktion einer gemischten Oxidspezies gebildet werden, die sowohl das ionenimplantierte Element als auch das Oxidsubstrat enthält, und sie können als ein Ergebnis einer Reduktion des Substrats, zuerst von Hunt und Hampikian berichtet. Typische Ionenstrahlenergien, die zur Herstellung von Nanopartikeln verwendet werden, reichen von 50 bis 150 keV, mit Ionenflüssen, die von 10 16 bis 10 18 Ionen/cm 2 reichen . Die folgende Tabelle fasst einige der Arbeiten zusammen, die auf diesem Gebiet für ein Saphirsubstrat durchgeführt wurden. Es kann eine Vielzahl von Nanopartikeln mit Größenbereichen von 1 nm bis zu 20 nm und mit Zusammensetzungen gebildet werden, die die implantierte Spezies, Kombinationen des implantierten Ions und des Substrats enthalten können oder die ausschließlich aus dem mit dem Substrat assoziierten Kation bestehen .

Verbundmaterialien auf der Basis von Dielektrika wie Saphir, die dispergierte Metallnanopartikel enthalten, sind vielversprechende Materialien für die Optoelektronik und die nichtlineare Optik .

Implantierte Arten Substrat Ionenstrahlenergie (keV) Fluenz (Ionen/cm 2 ) Wärmebehandlung nach der Implantation Ergebnis Quelle
Produziert Oxide, die das implantierte Ion enthalten Co Al 2 O 3 65 5*10 17 Glühen bei 1400 °C Bildet Al 2 CoO 4 Spinell
Co α-Al 2 O 3 150 2*10 17 Glühen bei 1000 °C in oxidierender Umgebung Bildet Al 2 CoO 4 Spinell
Mg Al 2 O 3 150 5*10 16 --- Formen MgAl 2 O 4 Blutplättchen
Sn α-Al 2 O 3 60 1*10 17 Glühen in O 2 -Atmosphäre bei 1000 °C für 1 Stunde 30 nm SnO 2 -Nanopartikel bilden
Zn α-Al 2 O 3 48 1*10 17 Glühen in O 2 -Atmosphäre bei 600 °C ZnO-Nanopartikel bilden sich
Zr Al 2 O 3 65 5*10 17 Glühen bei 1400 °C ZrO 2 Ausfällungen Form
Produziert metallische Nanopartikel aus implantierten Arten Ag α-Al 2 O 3 1500, 2000 2*10 16 , 8*10 16 Ausheilen von 600 ° C bis 1100 ° C in oxidierend, reduzierend, Ar oder N 2 Atmosphären Ag-Nanopartikel in Al 2 O 3 -Matrix
Au α-Al 2 O 3 160 0,6*10 17 , 1*10 16 1 Std. bei 800 °C an Luft Au-Nanopartikel in Al 2 O 3 -Matrix
Au α-Al 2 O 3 1500, 2000 2*10 16 , 8*10 16 Ausheilen von 600 ° C bis 1100 ° C in oxidierend, reduzierend, Ar oder N 2 Atmosphären Au-Nanopartikel in Al 2 O 3 -Matrix
Co α-Al 2 O 3 150 <5*10 16 Glühen bei 1000 °C Co-Nanopartikel in Al 2 O 3 -Matrix
Co α-Al 2 O 3 150 2*10 17 Glühen bei 1000 °C in reduzierender Umgebung Ausfällung von metallischem Co
Fe α-Al 2 O 3 160 1*10 16 bis 2*10 17 Glühen für 1 Stunde von 700 °C bis 1500 °C in reduzierender Umgebung Fe-Nanokomposite
Ni α-Al 2 O 3 64 1*10 17 --- 1-5 nm Ni-Nanopartikel
Si α-Al 2 O 3 50 2*10 16 , 8*10 16 Glühen bei 500 °C oder 1000 °C für 30 min Si-Nanopartikel in Al 2 O 3
Sn α-Al 2 O 3 60 1*10 17 --- 15 nm tetragonale Sn-Nanopartikel
Ti α-Al 2 O 3 100 <5*10 16 Glühen bei 1000 °C Ti-Nanopartikel in Al 2 O 3
Produziert metallische Nanopartikel aus Substrat Ca Al 2 O 3 150 5*10 16 --- Al-Nanopartikel in amorpher Matrix mit Al 2 O 3 und CaO
Ja Al 2 O 3 150 5*10 16 --- 10,7± 1,8 nm Al-Partikel in amorpher Matrix mit Al 2 O 3 und Y 2 O 3
Ja Al 2 O 3 150 2.5*10 16 --- 9,0± 1,2 nm Al-Partikel in amorpher Matrix mit Al 2 O 3 und Y 2 O 3

Probleme bei der Ionenimplantation

Kristallographischer Schaden

Jedes einzelne Ion erzeugt beim Aufprall viele Punktdefekte im Targetkristall, wie Leerstellen und Zwischengitter. Leerstellen sind Kristallgitterpunkte, die nicht von einem Atom besetzt sind: In diesem Fall kollidiert das Ion mit einem Zielatom, wodurch eine erhebliche Energiemenge auf das Zielatom übertragen wird, so dass es seinen Kristallplatz verlässt. Dieses Zielatom wird dann selbst zu einem Projektil im Festkörper und kann aufeinanderfolgende Kollisionsereignisse verursachen . Zwischengitterplätze entstehen, wenn solche Atome (oder das ursprüngliche Ion selbst) im Festkörper zur Ruhe kommen, aber keinen freien Platz im Gitter finden. Diese Punktdefekte können wandern und sich zusammenballen, was zu Versetzungsschleifen und anderen Defekten führt.

Schadensbehebung

Da die Ionenimplantation eine Beschädigung der Kristallstruktur des Targets verursacht, die oft unerwünscht ist, folgt der Ionenimplantationsbearbeitung oft ein thermisches Ausheilen. Dies kann als Schadenswiederherstellung bezeichnet werden.

Amorphisierung

Der kristallographische Schaden kann ausreichen, um die Oberfläche des Targets vollständig zu amorphisieren, dh es kann ein amorpher Feststoff werden (ein solcher aus einer Schmelze hergestellter Feststoff wird als Glas bezeichnet ). In einigen Fällen ist eine vollständige Amorphisierung eines Targets einem stark defekten Kristall vorzuziehen: Ein amorphisierter Film kann bei einer niedrigeren Temperatur als zum Tempern eines stark beschädigten Kristalls erforderlich nachwachsen. Durch die Strahlschädigung kann es zu einer Amorphisierung des Substrats kommen. Beispielsweise Yttrium Ionenimplantation in Saphir mit einer Ionenstrahlenergie von 150 keV auf eine Fluenz von 5 * 10 16 Y + / cm 2 erzeugt , eine amorphe glasartige Schicht etwa 110 nm in der Dicke von der äußeren Oberfläche gemessen. [Jagd, 1999]

Sputtern

Einige der Kollisionsereignisse führen dazu, dass Atome von der Oberfläche ausgestoßen ( gesputtert ) werden, und somit wird die Ionenimplantation eine Oberfläche langsam wegätzen. Die Wirkung ist nur bei sehr hohen Dosen spürbar.

Ionenkanalisierung

Ein kubischer Diamantkristall aus der <110> -Richtung mit hexagonalen Ionenkanälen.

Wenn das Target eine kristallografische Struktur aufweist, und insbesondere bei Halbleitersubstraten, bei denen die Kristallstruktur offener ist, bieten bestimmte kristallografische Richtungen einen viel geringeren Stopp als andere Richtungen. Das Ergebnis ist, dass die Reichweite eines Ions viel größer sein kann, wenn das Ion genau in eine bestimmte Richtung wandert, zum Beispiel die <110>-Richtung in Silizium und anderen kubischen Diamantmaterialien . Dieser Effekt wird als Ionenkanalbildung bezeichnet und ist, wie alle Kanalbildungseffekte , stark nichtlinear, wobei kleine Abweichungen von der perfekten Orientierung zu extremen Unterschieden in der Implantationstiefe führen. Aus diesem Grund werden die meisten Implantationen einige Grad achsenversetzt durchgeführt, wo winzige Ausrichtungsfehler vorhersehbarere Auswirkungen haben.

Ionenkanalbildung kann direkt bei der Rutherford-Rückstreuung und verwandten Techniken als analytische Methode verwendet werden, um das Ausmaß und das Tiefenprofil von Schäden in kristallinen Dünnschichtmaterialien zu bestimmen.

Sicherheit

Gefahrstoffe

Bei der Herstellung von Wafern , toxischen Materialien , wie beispielsweise Arsin und Phosphin werden oft in der Ionenimplantiervorrichtung Prozess verwendet. Andere übliche krebserregende , ätzende , entzündliche oder toxische Elemente sind Antimon , Arsen , Phosphor und Bor . Halbleiterfertigungsanlagen sind hochgradig automatisiert, aber während der Wartung und in der Vakuumpumpen- Hardware können Rückstände gefährlicher Elemente in Maschinen angetroffen werden .

Hochspannungen und Teilchenbeschleuniger

Hochspannungsstromversorgungen, die in Ionenbeschleunigern verwendet werden, die für die Ionenimplantation erforderlich sind, können ein Risiko für elektrische Verletzungen darstellen . Darüber hinaus können hochenergetische Atomkollisionen Röntgenstrahlen und in einigen Fällen andere ionisierende Strahlung und Radionuklide erzeugen . Neben Hochspannung bergen Teilchenbeschleuniger wie Hochfrequenz- Linearteilchenbeschleuniger und Laser- Wakefield-Plasmabeschleuniger weitere Gefahren.

Siehe auch

Verweise

Externe Links