Ионная имплантация

Физические процессы при
взаимодействии ионов с твердым
телом
 Ионная имплантация – это процесс, в котором
легирующий элемент может быть внедрен в
приповерхностную область твердого тела – мишени,
помещенной в вакуумную камеру, посредством пучка
высокоскоростных ионов
 Обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный
энергетический барьер, внедряются в поверхностный
слой, вызывая в нем повышение концентрации атомов
обрабатывающего вещества и распределяются
приблизительно по гауссовому закону по глубине
мишени.
2
Достоинства ионной имплантации
• Отсутствие зависимости предельной концентрации вводимой примеси от
предела растворимости в материале подложки, вследствие чего дает
возможность образования в поверхностных слоях таких сплавов, которые
невозможны в обычных условиях;
• Позволяет контролировать профиль легирующей примеси изменением
энергии, тока и положения ионного пучка, создание сложных профилей
распределения концентрации примеси по глубине путем программного
управления режимами;
• Низкая температура подложки в процессе имплантации;
• Позволяет формировать постепенный переход от модифицированного слоя в
объем материала;
• Возможность модификации свойств функциональных и технологических
приборных слоев с целью направленного изменения физических свойств за
счет вариации характеристик внедрения и дефектообразования;
• Высокая точность и воспроизводимость параметров имплантации (доза,
профиль) по площади обрабатываемой пластины от процесса к процессу.
3
Основные понятия
Имплантируемые ионы
Имплантируемые ионы (1)
Мишень (2) – материал в который
происходит внедрениеионов
Взаимодействие ускоренного иона с
твердым телом определяется
энергией Е1, массой М1, атомным
номером иона Z1,
массой М2, атомным номером мишени
Пороговая энергия, выше которой
начинается внедрение ионов,
составляет примерно 3·10 – 18 Дж
Имплантируемые ионы делят:
Легкие: М1<20, В, N, O
Средние: 20<М1<60, Si, P, S, Ar
Тяжелые: М1>60, Zn, As, Se, Sb
мишень
4
 интервал энергий ускоренных ионов разделяют на три
диапазона
 Низкоэнергетическая имплантация. На практике к
низкоэнергетическим относят ионные имплантеры,
ускоряющие частицы до энергии 1  10 кэВ. В этом
диапазоне энергий доминирующими оказываются ядерные
столкновения иона с атомами твердого тела.
 Среднеэнергетическая имплантация. Наиболее
перспективной в машиностроении сегодня представляется
имплантация ионов средних энергий. К ионам средней
энергии относят частицы с энергией 101  103 кэВ.
 Высокоэнергетическая имплантация. К
высокоэнергетической ионной имплантации относят
обработку ионами, энергия которых превышает 103 кэВ.
5
Основные понятия
 Доза ионов (флюенс) Ф [ион/см2] – число ионов , прошедших через
единицу поверхности образца за все время облучения.
 Плотность ионного тока j [мкА/см2]
 Длительность облучения t [c]
 Дозу можно выражать Q=jt [мкКл/см2]
Ф=6,25 1012· Q
Коэффициент отражения RN – отношение количества N всех
рассеянных назад частиц независимо от их энергии, угла выхода и
зарядового состояния к числу частиц N0 падающих на мишень
RN=N/N0
Коэффициент отражения энергии RЕ – доля энергии, уносимой
отраженными частицами , по отношению к энергии падающих
частиц RE=∑EN/ E0
Средняя относительная энергия отраженных частиц <E>=RE/RN
6
Физические процессы взаимодействия
ускоренных ионов с твердым телом
Основные процессы, происходящие при облучении материалов
ионами, следующие:
• физическое распыление материалов;
• внедрение и захват бомбардирующих ионов;
• отражение ионов от поверхности;
• десорбция газов и других загрязнений с поверхности;
• неупругие соударения со связанными электронами и с ядрами
атомов мишени;
• образование первичных радиационных дефектов и каскада
смещенных атомов;
7
Основные процессы,
которые имеют место
при ионной
бомбардировке
твердого тела
8
Торможение и рассеивание ионов
Основные
механизмы
торможения ионов в твердых
телах:
Налетающий на мишень ион
Атомы
Мишень


•неупругие
столкновения
(электронные потери энергии) –
энергия
ионов
передается
электронам;





Электроны

•упругие (ядерные) столкновения
– энергия передается атомами
мишени
Упругие
столкновения
•торможение за счет генерации
фотонов;
•ядерные реакции.
Ион
Схема процесса потерь энергии внедряющимся
при ионной имплантации ускоренным ионом
9
Торможение и рассеивание ионов
 Вклад того или иного механизма торможения определяется
соотношением между скоростями движения ионов v1 и
орбитальными скоростями электронов на внутренних vie и внешних
vee оболочках атомов твердого тела и иона.
 При высоких скоростях (v1>>vie) легкий ион теряет все свои
электроны и в твердом теле движется практически голое ядро с
зарядом Ze1. В этом случае ион теряет энергию в основном
вследствие столкновения с электронами.
 При уменьшении скорости иона (v1<vie) начинают протекать
процессы захвата электронов, и далее ион движется с некоторым
эффективным зарядом Z1эф<Z1.
 При скоростях v1<vee определяющим механизмом энергетических
потерь становится упругое взаимодействие с атомами, в котором
ион, ставший нейтральным атомом, участвует как единое целое.
10
Схематический путь на плоскости
отдельного иона в мишени
R
ΔR┴
Ион
RP
Поверхность
мишени
Расстояние
до поверхости
мишени
R – длина пути иона в мишени вдоль траектории до его полной остановки,
RP – проективный пробег иона;
ΔR┴ – боковое рассеяние (поперечный страгглинг)
11
Механизмы повреждений поверхности мишени
при ионной бомбардировке
Вязкое течение
Линейный каскад
Микровзрыв
Всасывание
Термический пик
12
Схемы столкновений, приводящих к распылению
при ионной бомбардировке
Распыление
рикошетом
Распыление
первично выбитым
атомом отдачи
Распыление атомов
в результате
каскада
столкновений
13
 Схема баллистических процессов, имеющих место при
внедрении ускоренного иона в мишень
 а) линейный каскад;
 б) распыление и перемещение группы атомов в режиме
каскада;
 в) каскадный дефект (каскад атомных столкновений), часть
атомов выбиты в междоузлиях.
14
 Схема дефектообразования и
фазовых превращений при
имплантации. – атомы мишени;
, – имплантируемые атомы.
15
Последствие распыления и
имплантации. S1
напыленная
поверхность; S0
исходная поверхность;
S2 распыленная
поверхность.
Возможно два процесса
1) если плотность
напыляемых атомов
больше чем
распыляемых через
определенный
промежуток времени, то
поверхность будет S1
2) 2) если наоборот – то
поверхность будет S2
16
Схема перемещения поверхности мишени по отношению к исходной поверхности (а, б, в), схема распыления
областей при имплантации (г), изменение формы концентрационного профиля с увеличением дозы
падающих ионов при наличии эффекта распыления (д).
а – низкодозовая имплантация; б – среднедозовая имплантация; в – высокодозовая имплантация; 1 – зона
распыления; 2 – зона легирования; 3 – зона дальнодействия, линиями указаны дислокации; Rp = 17
проективный пробег.
Формируемые структуры в
условиях имплантации
18
19
 Схематическое изображение фазовых состояний в
металлических материалах, подвергнутых ионно-пучковой
обработке, в функции концентрации легирующей примеси
и температуры мишени при ионной имплантации
20
Три основные группы источников для ионной имплантации,
различных по технологическому применению
 установки для высокоэнергетической ионной имплантации
 установки среднеэнергетической имплантации малыми и
средними дозами
 установки средних и низких энергий для имплантации
большими дозами с интенсивными ионными пучками.
Установки первых двух типов применяются, в основном, в
технологических процессах в микроэлектронной
промышленности, тогда как установки третьего типа –
основа так называемой имплантационной металлургии.
21
 Первые промышленные имплантеры, разработанные
фирмами High Voltage Engineering и Accelerators Inc.
Implanters (США), Danfysic (Дания) и AERE Harwell
(Великобритания), Hitachi (Япония) появились в конце 60-х
годов.
 1970 г. появилось только два типа ионно-лучевых
установок «ИЛУ», разработанные под руководством
В. М. Гусева и «Везувий-1» – под руководством
В. А. Симонова.
 Наиболее перспективными ионными источниками для
обработки металлических конструкционных материалов,
где требуются высокие дозы облучения при средних
энергиях, являются источники на основе вакуумной дуги.
22
 «Диана-2» работает при ускоряющем напряжении 10–
100 кВ, обеспечивая частоту следования импульсов до
50 с –1, длительность импульсов 400 мкс и площадь
поперечного сечения ионного пучка 0,03 м2.
 Ионный источник «Титан» позволяет генерировать
одновременно ионы газов и металлов при следующих
действующих параметрах: ускоряющее напряжение – от 20
до 100 кВ, частота следования импульсов – 50 с –1,
длительность импульса – 400 мкс, площадь поперечного
сечения ионного пучка – 0,03 м2.
 Разработанная серия вакумно-дуговых ионных источников
MEVVA позволяет проводить одноэлементную и
многокомпонентную ионную имплантацию, наносить
тонкие покрытия в едином цикле с ионной имплантацией.
 Разработано пять вариантов ионного источника «Радуга».
Источники позволяют формировать одноэлементные и
многокомпонентные ионные пучки из одноэлементных и
композиционных катодов. Так, источники «Радуга-2» и
«Радуга-4» имеют соответственно 2 и 4 катода. Источники
могут быть применены для высококонцентрационной
ионной имплантации или нанесения покрытия из плазмы в
сочетании с имплантацией.
23
Вакуумно-дуговой ионно-плазменный
источник «Радуга-5»
Ускорители, оснащенные источниками типа
«Радуга»,
позволяют,
осуществлять
следующие технологические режимы:
•импулсьно-периодическую
ионную
имплантацию;
•импулсьно-периодическую
многоэлементную ионную имплантацию;
•высококонцентрационную
ионную
имплантацию;
•высокоинтенсивная ионная имплантация
•осаждение покрытий с использованием
НИИ ядерной физики при
Томском политехническом
университете
потоков металлической плазмы и импульснопериодических ионных пучков;
•осаждение покрытий с использованием
потоков металлической плазмы.
24