Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) - введение примесных атомов в твёрдое тело бомбардировкой его поверхности ускоренными ионами. При ионной бомбардировке мишени наряду с процессами распыления поверхности, ионно-ионной эмиссии, образования радиационных дефектов и др. происходит проникновение ионов в глубь мишени. Внедрение ионов становится существенным при энергии ионов E>1 кэВ. Движущиеся частицы в результате многократных столкновений постепенно теряют энергию, рассеиваются и в конечном итоге либо отражаются назад, либо останавливаются, распределяясь по глубине. Энергетич. потери обусловлены как взаимодействием с электронами мишени (неупругие столкновения), так и парными ядерными (упругими) столкновениями, при к-рых энергия передаётся атомам мишени в целом и резко изменяется направление движения частицы. При высоких энергиях и малых прицельных параметрах ядра сталкивающихся частиц сближаются на расстояния, меньшие радиусов электронных орбит, и их взаимодействие описывается кулоновским потенциалом. При низких энергиях существенно экранирование ядер электронами и потенциал взаимодействия:

где Z₁, Z₂ - ат. номера иона и атома мишени, r - расстояние между ядрами, а - параметр экранирования, Ф(r/а) - функция экранирования. В нек-ром приближении можно раздельно рассматривать взаимодействие движущегося иона с электронами (свободными и на внеш. оболочках атомов) и взаимодействие между ядрами иона и атома мишени, считая оба механизма потерь аддитивными, а среду однородной и изотропной (теория Линдхарда - Шарфа - Шиотта, ЛШШ). Если ввести приведённую безразмерную энергию ионов

и приведённый безразмерный пробег

где E' и R - энергия и пробег иона; M₁, M₂ - массы (в а. е. м.) бомбардирующего иона (1) и атомов мишени (2); n₀ - концентрация атомов мишени, то удельные потери энергии

В теории ЛШШ Ф(r/а) - функция Томаса -Ферми с параметром экранирования а=0,885

(см. Плазма твёрдых тел). Удельные потери в упругих столкновениях (dE/dr)_n проходят через максимум

Рис. 1. Зависимости удельных потерь энергии dE/dp от E^1/2 по теории ЛШШ: 1 - упругие потери; 2,3 - неупругие потери энергии для К=0,1 и К= 0,25.

и убывают с ростом E (кривая 1, рис. 1). Удельные потери в неупругих столкновениях

Для большинства комбинаций ион - атом мишени К, лежит в интервале 0,1-0,25 (кривые 2 и 3, рис. 1). При очень больших скоростях v (

) теория ЛШШ неприменима, а при

ион движется в мишени как голое ядро и удельные потери энергии убывают с дальнейшим её ростом. Теория ЛШШ даёт совпадение с экспериментом, как правило, с точностью не хуже 30%. Обнаруженные осцилляции электронных потерь в зависимости от Z₁и Z₂ описываются более совершенной теорией, использующей волновые функции Хартри - Фока - Слэтера.

Траектория иона представляет собой сложную ломаную линию, состоящую из отрезков пути между элементарными актами рассеяния на большие углы. В первом приближении траекторный пробег для частицы с нач. энергией E₀ равен:

Важными характеристиками процесса И. и. являются т. н. проективный пробег иона R_пр - проекция траекторного пробега на направление первонач. движения частицы, а также распределение имплантированных атомов по R_пр, т. е. по глубине х (при бомбардировке по нормали к поверхности мишени). Распределение по x частиц, имплантированных в аморфную мишень, характеризуется ср. пробегом

, среднеквадратичным разбросом пробегов

и параметром S_k, определяющим асимметрию распределения Пирсона (рис. 2). Величины

, DR_пр и S_k зависят от М₁, М₂и E₀ (рис. 3). При S_k=0 распределение Пирсона переходит в гауссовское. При И. и. в монокристаллы распределение внедрённых частиц по глубине может видоизменяться из-за каналирования заряженных частиц. Изменяя в процессе И. и. энергию ионов, можно получить распределение внедрённой примеси по глубине желаемой формы.

Рис. 3. Зависимости параметров распределения

(a),

(б), S_k (в) ионов В, Р, As в Si от начальной энергии ионов E₀. Полное число атомов примеси N_п, к-рое может быть имплантировано в твердотельную мишень через единицу поверхности, ограничивается распылением, если коэф. распыления S (число атомов мишени, выбиваемых одним ионом) больше доли внедряющихся частиц a=l-k (k - коэф. отражения). В пренебрежении диффузией

где n_S=an₀/S - концентрация примеси у поверхности в установившемся режиме. Ф-ла (7) получена в предположении постоянства E₀ в процессе И. и. и равенства вероятностей распыления атомов матрицы и имплантированных частиц. Если S<a, концентрация имплантированных атомов будет монотонно расти с увеличением дозы ионов. Наиб, широко И. п. применяется для легирования полупроводников с целью создания р-n-переходов, гетеропереходов, низкоомных контактов. И. и. позволяет вводить примеси при низкой температуре, в том числе примеси с малым коэф. диффузии, создавать пересыщенные твёрдые растворы. И. и. обеспечивает точную дозировку вводимой примеси, высокую чистоту (сепарация пучка ионов по массам), локальность, а также возможность управления процессом с помощью электрич. и магн. полей. Для устранения образующихся при И. и. радиац. дефектов и перевода внедрённых атомов в регулярные положения используют высокотемпературный прогрев. Для создания р-n-переходов не требуется больших доз облучения. Так, при бомбардировке Si ионами Р⁺ с энергией E₀=50 кэВ,

=60 нм,

=26 нм, и уже при дозе 10¹⁵ см^-2 ср. концентрация примеси в имплантированном слое толщиной 4

достигает 10²⁰ см^-3, т. е. практически предельной концентрации, используемой в технологии. И. и. в металлы применяют с целью повышения их твёрдости, износоустойчивости, коррозионной стойкости, создания катализаторов, изменения коэф. трения и т. п. Для этого требуются дозы ~10¹⁷ -10¹⁸ ионов на см², при к-рых уже заметно распыление приповерхностного слоя. При больших дозах, когда концентрация внедрённой примеси сравнима с n₀, возможно образование новых соединений (ионный синтез). Ионная бомбардировка позволяет вводить примесь не только из пучка, но и из плёнки, предварительно нанесённой на поверхность мишени (имплантация атомов отдачи и ионное перемешивание). Бомбардировка ионами с энергией 10-200 эВ, когда SЪ1, а

~0,1-1 нм, сопровождается наращиванием имплантируемого материала. Плёнки, полученные ионным осаждением, имеют высокую плотность и хорошую адгезию к подложке.

Литература по ионной имплантации (ионному внедрению, ионному легированию)

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.