이온 주입
Ion implantation
이온 주입은 한 원소의 이온이 고체 표적에 가속되어 표적의 물리적, 화학적 또는 전기적 특성이 변화하는 저온 과정입니다.이온 주입은 반도체 소자 제작, 금속 마감 및 재료 과학 연구에 사용됩니다.이온은 정지하고 타겟에 남아있을 경우 타겟의 원소성분을 변경할 수 있다(이온과 타겟의 성분이 다를 경우).이온 주입은 또한 이온이 높은 에너지로 표적에 침입할 때 화학적, 물리적 변화를 일으킨다.타깃의 결정구조는 에너지 충돌 캐스케이드에 의해 손상되거나 파괴될 수 있으며, 충분히 높은 에너지(10s의 MeV)의 이온이 핵변환을 일으킬 수 있다.
일반원칙
이온주입장치는 일반적으로 원하는 원소의 이온이 생성되는 이온원, 이온이 정전적으로 높은 에너지로 가속되는 가속기, 이온이 주입 대상인 타깃 챔버로 구성된다.따라서 이온 주입은 입자 방사선의 특별한 경우입니다.각 이온은 전형적으로 단일 원자 또는 분자이며, 따라서 타겟에 주입된 물질의 실제 양은 이온 전류의 시간 경과에 따른 적분입니다.이 양을 선량이라고 합니다.삽입물에 의해 공급되는 전류는 일반적으로 작기 때문에(마이크로암페어), 적절한 시간 내에 주입할 수 있는 선량은 작습니다.따라서 이온주입은 필요한 화학적 변화량이 적은 경우에 적용된다.
일반적인 이온 에너지는 10 ~500 keV(1,600 ~80,000 aJ) 범위입니다.1~10 keV(160~1,600 aJ) 범위의 에너지를 사용할 수 있지만 몇 나노미터 이하의 에너지만 침투할 수 있습니다.이보다 낮은 에너지는 타겟에 거의 손상을 주지 않으며 이온 빔 증착이라는 명칭에 해당된다.더 높은 에너지를 사용할 수도 있습니다. 5MeV(800,000 aJ)가 가능한 가속기가 일반적입니다.그러나 종종 대상에 큰 구조적 손상이 있으며 깊이 분포가 넓기 때문에(브래그 피크), 목표물의 임의의 지점에서 순 구성 변화는 작을 것이다.
이온의 에너지, 이온종 및 타겟의 구성에 따라 고체 내 이온의 침투 깊이가 결정됩니다.단일 에너지 이온 빔은 일반적으로 광범위한 깊이 분포를 가집니다.평균 침투 깊이를 이온 범위라고 합니다.일반적인 상황에서 이온 범위는 10나노미터에서 1마이크로미터 사이입니다.따라서 이온 주입은 화학적 또는 구조적 변화가 목표물의 표면 근처에 있기를 원하는 경우에 특히 유용합니다.이온은 대상 원자와의 가끔 충돌(급작스러운 에너지 전달을 야기함)과 전자 궤도의 중첩으로 인한 가벼운 드래그 모두에서 고체를 통과하면서 점차 에너지를 잃습니다.목표물의 이온 에너지 손실은 정지라고 불리며 이원 충돌 근사법을 사용하여 시뮬레이션할 수 있습니다.
이온 주입용 가속기 시스템은 일반적으로 중전류(10μA~2mA 사이), 고전류(이온 빔 전류 최대 30mA), 고에너지(이온 에너지 200keV 초과 및 최대 10MeV) 및 매우 높은 선량(이온16 /cm2 [1]초과 선량의 효율적인 주입)으로 분류된다.
이온원
모든 다양한 이온 주입 빔라인 설계에는 일반적인 기능 구성요소 그룹이 포함되어 있습니다(이미지 참조).이온빔 라인의 첫 번째 주요 세그먼트는 이온종을 생성하기 위해 사용되는 이온원을 포함한다.선원은 빔 라인으로 이온을 추출하기 위한 바이어스 전극과 밀접하게 연결되며, 대부분의 경우 주 가속기 섹션으로 이송하기 위해 특정 이온 종을 선택하는 수단과 밀접하게 연결됩니다.
"질량" 선택은 종종 추출된 이온 빔이 자기장 영역을 통과하는 것을 수반하며, 이는 질량 및 속도/충전 곱의 특정 값을 가진 이온만 빔 라인을 따라 계속되도록 하는 구멍을 차단함으로써 제한된 출구 경로 또는 "슬릿"을 가진다.대상 표면이 이온 빔 직경보다 크고 대상 표면에 주입 선량의 균일한 분포가 필요한 경우 빔 스캔과 웨이퍼 모션을 조합하여 사용합니다.마지막으로 주입면을 주입 이온의 축적 전하를 모으는 어떤 방법과 결합하여 연속적으로 공급 선량을 측정하여 원하는 선량 [2]수준에서 주입 프로세스를 정지시킨다.
반도체 장치 제작에서의 응용
도핑
붕소, 인 또는 비소를 사용한 반도체 도핑은 이온 주입의 일반적인 응용 분야입니다.반도체에 주입하면 각 도판트 원자가 소둔 후 반도체 내에 전하 캐리어를 만들 수 있다.p형 도판트에는 구멍을, n형 도판트에는 전자를 만들 수 있다.이로 인해 주변 반도체의 전도성이 변경됩니다.이 기술은 예를 들어 MOSFET의 임계값 전압을 조정하는 데 사용됩니다.
이온 주입은 1970년대 후반과 1980년대 초반에 [3]광전 소자의 p-n 접합을 생산하는 방법으로 개발되었으며, 고속 [4]아닐을 위한 펄스 전자 빔은 상업적인 생산에 사용되지 않았다.
실리콘 온 인슐레이터
기존의 실리콘 기판으로부터 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 제조하는 중요한 방법 중 하나는 SIMOX(산소 주입에 의한 분리) 공정으로, 매설된 고용량 산소 임플란트를 고온 아닐 공정에 의해 산화규소로 변환한다.
중은하
메소택시는 숙주 결정 표면 아래에서 결정학적으로 일치하는 상(기판 표면에서의 일치 상 성장인 에피택시와 비교)의 성장을 일컫는 용어입니다.이 과정에서 이온을 충분히 높은 에너지로 주입하여 2상층을 형성하고 타깃의 결정구조를 파괴하지 않도록 온도를 제어한다.정확한 결정 구조와 격자 상수는 매우 다를 수 있지만, 층의 결정 방향은 대상의 결정 방향과 일치하도록 설계될 수 있습니다.예를 들어 니켈이온을 실리콘 웨이퍼에 주입한 후 규화물의 결정방향이 실리콘의 결정방향과 일치하는 니켈 실리사이드층을 성장시킬 수 있다.
금속 마감에 적용
공구강 강화
질소 또는 기타 이온을 공구 강철 타깃(예를 들어 드릴 비트)에 주입할 수 있습니다.임플란트에 의한 구조변화에 의해 강철의 표면압축이 발생하여 균열전파를 방지하고 재료의 파손내성을 높입니다.화학적 변화로 인해 공구가 부식에 더 잘 견딜 수 있습니다.
표면 마감
인공관절과 같은 일부 용도에서는 마찰로 인한 화학적 부식 및 마모에 매우 강한 표면을 사용하는 것이 바람직하다.이러한 경우 이온 주입은 보다 안정적인 성능을 위해 이러한 장치의 표면을 설계하기 위해 사용됩니다.공구강의 경우처럼 이온주입에 의한 표면개조는 균열전파를 방지하는 표면압축과 표면의 합금을 모두 포함하고 있어 부식에 대한 내화학성을 높일 수 있다.
기타 응용 프로그램
이온 빔 혼합
이온 주입은 이온 빔 혼합, 즉 계면에서 서로 다른 원소의 원자를 혼합하기 위해 사용될 수 있다.이 방법은 계조된 인터페이스를 달성하거나 불용성 재료 층 간의 접착력을 강화하는 데 유용할 수 있습니다.
이온 주입에 의한 나노 입자 형성
이온주입은 사파이어나 실리카 등의 산화물에 나노차원 입자를 유도하기 위해 사용될 수 있다.입자는 이온 주입종의 침전에 의해 형성될 수 있으며, 이온 주입 원소와 산화물 기질을 모두 포함하는 혼합 산화물의 생성에 의해 형성될 수 있으며, Hunt와 Hampikian이 [5][6][7]최초로 보고한 기질의 감소에 의해 형성될 수 있다.나노 입자를 생성하는 데 사용되는 일반적인 이온 빔 에너지는 50~150 keV 범위이며 이온 플루언스는 10~1018 이온/[8][9][10][11][12][13][14][15][16]cm2 범위입니다16.아래 표는 사파이어 기판에 대해 이 분야에서 수행된 작업의 일부를 요약한 것입니다.1nm에서 최대 20nm까지의 크기 범위와 주입종을 포함할 수 있는 조성물, 주입이온과 기판의 조합 또는 기판과 관련된 양이온만으로 이루어진 다양한 나노입자를 형성할 수 있다.
사파이어 등 금속 나노입자가 분산된 유전체 기반 복합소재는 광전자, 비선형 광학 [12]분야 유망소재다.
| 이식종 | 기판 | 이온 빔 에너지(keV) | 플루언스(이온/cm2) | 이식 후 열처리 | 결과 | 원천 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 주입된 이온이 포함된 산화물 생성 | 회사 | 알로23 | 65 | 5*1017 | 1400°C에서 아닐 | AlCoO24 스피넬 형성 | [8] |
| 회사 | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | 주변 산화 시 1000°C에서 아닐 | AlCoO24 스피넬 형성 | [9] | |
| Mg | 알로23 | 150 | 5*1016 | --- | MgAlO24 혈소판 형성 | [5] | |
| Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | 1000°C에서 1시간 동안 O 대기 중 아닐링2 | 30 nm2 SnO 나노 입자 형성 | [16] | |
| Zn | α-Al2O3 | 48 | 1*1017 | 600°C에서 O 대기 중 아닐링2 | ZnO 나노 입자 형태 | [10] | |
| Zr | 알로23 | 65 | 5*1017 | 1400°C에서 아닐 | ZrO2 침전 형태 | [8] | |
| 착상종에서 금속 나노입자 생성 | Ag | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | 산화, 환원, Ar 또는2 N 대기에서 600°C~1100°C의 아닐링 | AlO23 매트릭스 중 Ag 나노 입자 | [11] |
| Au | α-Al2O3 | 160 | 0.6*1017, 1*1016 | 공기 중 800°C에서 1시간 | Au23 나노입자 (AlO 매트릭스 | [12] | |
| Au | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | 산화, 환원, Ar 또는2 N 대기에서 600°C~1100°C의 아닐링 | Au23 나노입자 (AlO 매트릭스 | [11] | |
| 회사 | α-Al2O3 | 150 | 5*1016 미만 | 1000°C에서 아닐 | AlO23 매트릭스 중 Co 나노 입자 | [9] | |
| 회사 | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | 1000°C에서 어닐링하여 주변 환경 감소 | 금속의 침전 | [9] | |
| Fe | α-Al2O3 | 160 | 1*1016 ~ 2*1017 | 700°C~1500°C에서 1시간 동안 아닐 처리(주변 온도 감소) | Fe나노콤포지트 | [13] | |
| 니 | α-Al2O3 | 64 | 1*1017 | --- | 1~5 nm Ni 나노 입자 | [14] | |
| Si | α-Al2O3 | 50 | 2*1016, 8*1016 | 500°C 또는 1000°C에서 30분간 아닐 | 알루미나에 Si나노 입자 | [15] | |
| Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | --- | 15nm4각형의 Sn나노 입자. | [16] | |
| Ti | α-Al2O3 | 100 | <>5*1016 | 1000°C에서 Annealing | 알루미나에서 Ti나노 입자 | [9] | |
| 금속 Nanoparticles 기질에서를 구합니다. | 칼슘 | 알루미나 | 150 | 5*1016 | --- | 비정질 매트릭스에 있는 알 나노 입자 알루미나와 CaO를 들어 있다. | [5] |
| Y | 알루미나 | 150 | 5*1016 | --- | 아모르 퍼스. 기질에 10.7± 180nm알 입자 알루미나와 Y2O3되어 있다. | [5] | |
| Y | 알로23 | 150 | 2.5*1016 | --- | AlO2323 및 YO를 포함한 비정질 매트릭스 중 9.0±1.2nm Al 입자 | [6] |
이온 주입에 관한 문제
결정학적 손상
각각의 개별 이온은 공실 및 인터스티셜과 같은 충격에 대해 대상 결정에서 많은 점 결함을 생성합니다.공실은 원자가 차지하지 않는 결정 격자점입니다.이 경우 이온은 대상 원자와 충돌하여 상당한 양의 에너지가 대상 원자에 전달되어 결정 부위가 남습니다.이 대상 원자 자체가 고체에서 발사체가 되어 연속적인 충돌 이벤트를 일으킬 수 있습니다.이러한 원자(또는 원래 이온 그 자체)가 고체에서 정지할 때 간극이 발생하지만 격자에 존재할 빈 공간이 없습니다.이러한 점 결점은 서로 마이그레이션 및 클러스터화되어 전위 루프 및 기타 결점이 발생할 수 있습니다.
데미지 리커버리
이온주입은 종종 바람직하지 않은 타깃의 결정구조를 손상시키기 때문에 이온주입처리는 종종 열소둔이 뒤따른다.이를 손상 복구라고 합니다.
비정질화
결정학적 손상의 양은 목표물의 표면을 완전히 비정질화하기에 충분할 수 있습니다. 즉, 그것은 비정질 고체가 될 수 있습니다(용융에서 생성된 고체는 유리라고 불립니다).경우에 따라서는 고도로 결함이 있는 결정보다 타깃의 완전한 비정질화가 바람직합니다.아모르피드 필름은 손상도가 높은 결정을 아닐하는데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 다시 형성될 수 있다.빔 손상의 결과로 기판의 비정질이 발생할 수 있습니다.예를 들어 150keV~5*10Y16+/cm의2 이온빔 에너지로 사파이어에 이트륨 이온을 주입하면 표면에서 측정한 두께 약 110nm의 비정질 유리층이 생성된다.[Hunt, 1999]
스퍼터링
충돌 이벤트 중 일부는 원자가 표면에서 분출(튀겨짐)되는 결과를 초래하며, 따라서 이온 주입은 표면을 서서히 부식시킵니다.그 효과는 매우 큰 용량에 대해서만 두드러질 수 있다.
이온 채널링
타깃에 결정구조가 있는 경우, 특히 결정구조가 개방적인 반도체 기판에서 특정 결정방향은 다른 방향보다 훨씬 낮은 정지시간을 제공한다.그 결과 이온이 특정 방향을 따라 정확히 이동하면 이온의 범위가 훨씬 길어질 수 있습니다. 예를 들어 실리콘 및 기타 다이아몬드 입방체 [17]재료의 <110> 방향입니다.이 효과는 이온 채널링이라고 하며, 모든 채널링 효과와 마찬가지로 매우 비선형적이며, 완벽한 방향에서 약간의 차이가 발생하여 주입 깊이에 큰 차이가 발생합니다.이러한 이유로 대부분의 임플란트는 축에서 몇 도 어긋나게 수행되며, 여기서 작은 정렬 오류는 더 예측 가능한 효과를 가져옵니다.
이온채널링은 결정성 박막 재료의 손상량 및 깊이 프로파일을 결정하기 위한 분석 방법으로서 러더포드 후방 산란 및 관련 기술에 직접 사용될 수 있다.
안전.
유해 물질
웨이퍼를 제작할 때 이온 주입기 공정에서 아르신이나 포스핀과 같은 독성 물질이 사용되는 경우가 많습니다.기타 일반적인 발암성, 부식성, 인화성 또는 독성 요소로는 안티몬, 비소, 인 및 붕소가 있습니다.반도체 제조 설비는 고도로 자동화되어 있지만 기계 및 진공 펌프 하드웨어에서 유해 원소의 잔류물이 발생할 수 있습니다.
고전압 입자 가속기
이온 주입에 필요한 이온 가속기에 사용되는 고전압 전원 공급 장치는 전기 부상의 위험을 초래할 수 있습니다.또한 고에너지 원자 충돌은 X선을 발생시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 다른 이온화 방사선과 방사성핵종을 발생시킬 수 있다.고전압 외에 무선 주파수 선형 입자 가속기 및 레이저 웨이크필드 플라즈마 가속기와 같은 입자 가속기도 다른 위험을 나타냅니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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