Ein Überblick über die Ionenimplantation
Einführung
Ionenimplantation ist ein Niedertemperaturverfahren, bei dem Ionen eines Elements in ein festes Target beschleunigt werden, wodurch sich die physikalischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften des Targets verändern. Die Komponenten der Ionenimplantation werden häufig aus TZM-Legierungen, Molybdän und Wolfram hergestellt, da diese Materialien in der rauen Umgebung gut funktionieren können.
Die Ionenimplantation ist seit fast 30 Jahren eine boomende und weit verbreitete Hochtechnologie zur Modifizierung von Materialoberflächen in der Welt. Aufgrund ihrer einzigartigen und herausragenden Vorteile findet diese Hochtechnologie eine weit verbreitete Anwendung bei der Dotierung von Halbleitermaterialien, der Oberflächenmodifizierung von Metall, Keramik, Polymeren usw., was zu einem enormen wirtschaftlichen und sozialen Nutzen führt.
In der Elektronikindustrie ist die Ionenimplantation zu einer der wichtigsten Dotierungstechniken im mikroelektronischen Handwerk geworden; außerdem ist sie ein wichtiges Mittel zur Kontrolle der MOSFET-Schwellenspannung. Man kann also sagen, dass die Ionenimplantation heutzutage ein unverzichtbares Mittel bei der Herstellung großer integrierter Schaltungen ist.
Die Methode der Ionenimplantation
Die Methode der Ionenimplantation wird im Vakuum und bei niedriger Temperatur beschleunigt, so dass die Verunreinigungsionen mit kinetischer Energie direkt in den Halbleiter eindringen können; gleichzeitig können einige Gitterdefekte im Halbleiter entstehen, die nach der Ioneninjektion durch Niedertemperatur- oder Laserglühen beseitigt werden müssen. Die Verunreinigungskonzentration bei der Ionenimplantation ist im Allgemeinen gaußförmig verteilt, und die höchste Konzentration befindet sich nicht an der Oberfläche, sondern in einer bestimmten Tiefe.
Die Vorteile der Ionenimplantation
Die Vorteile der Ionenimplantation bestehen darin, dass die Gesamtdosis der Verunreinigungen, die Verteilung der Tiefe und die Gleichmäßigkeit der Oberfläche genau kontrolliert werden können, und dass durch den Niedrigtemperaturprozess die ursprünglichen Verunreinigungen und die Diffusion vermieden werden können. Gleichzeitig kann das Ziel der Entwicklung der Ausrichttechnologie zur Verringerung des Kapazitätseffekts erreicht werden.
Allgemeines Prinzip
Was ist das allgemeine Prinzip der Ionenimplantation? Eine Ionenimplantationsanlage besteht in der Regel aus einer Ionenquelle, in der Ionen des gewünschten Elements erzeugt werden, einem Beschleuniger, in dem die Ionen elektrostatisch auf hohe Energie beschleunigt werden, und einer Targetkammer, in der die Ionen auf ein Target, d. h. das zu implantierende Material, auftreffen. Die Ionenimplantation ist also ein Spezialfall der Teilchenstrahlung. Jedes Ion ist in der Regel ein einzelnes Atom oder Molekül, so dass die tatsächliche Menge des in das Target implantierten Materials das Integral des Ionenstroms über die Zeit ist. Diese Menge wird als Dosis bezeichnet. Die von den Implantaten gelieferten Ströme sind in der Regel klein (Mikroampere), so dass die Dosis, die in einer angemessenen Zeitspanne implantiert werden kann, gering ist. Daher wird die Ionenimplantation in Fällen angewandt, in denen die erforderliche chemische Veränderung gering ist.
Die Energie der Ionen sowie die Ionensorte und die Zusammensetzung des Targets bestimmen die Eindringtiefe der Ionen in den Festkörper: Ein monoenergetischer Ionenstrahl hat im Allgemeinen eine breite Tiefenverteilung. Die durchschnittliche Eindringtiefe wird als Reichweite der Ionen bezeichnet. In der Regel liegen die Ionenreichweiten zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer. Daher ist die Ionenimplantation besonders nützlich, wenn die chemische oder strukturelle Veränderung in der Nähe der Oberfläche des Zielobjekts erfolgen soll. Die Ionen verlieren auf ihrem Weg durch den Festkörper allmählich an Energie, sowohl durch gelegentliche Zusammenstöße mit den Zielatomen (die einen abrupten Energietransfer bewirken) als auch durch einen leichten Widerstand, der durch die Überlappung der Elektronenorbitale entsteht, was ein kontinuierlicher Prozess ist. Der Energieverlust der Ionen im Zielatom wird als Stopping bezeichnet und kann mit der Methode der binären Kollisionsannäherung simuliert werden.
Industrielle Anwendungen
Die Ionenimplantationstechnologie wird in vielen Bereichen der industriellen Produktion eingesetzt, unter anderem in der Metallindustrie und der Halbleiterindustrie.
* Modifizierung von Metallwerkstoffen
Bei der Ionenimplantation zur Modifizierung von Metallwerkstoffen werden Ionen in einer bestimmten Menge und mit einer bestimmten Energie in die Oberfläche von Metallwerkstoffen injiziert, die durch Wärmebehandlung oder Oberflächenbeschichtung behandelt werden, um die chemische Zusammensetzung, die physikalische Struktur und den Phasenzustand der Materialoberfläche zu verändern. Insbesondere kann die Ionenimplantation die akustischen, optischen und supraleitenden Eigenschaften von Werkstoffen verändern und die Arbeitshärte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit von Werkstoffen verbessern. Gegenwärtig wird es bei der Verteilung von Lufthydraulikpumpen, Präzisionskupplungen für Verbrennungsmotoren, Automobilmotorteilen, Schneidwerkzeugen aus Hartlegierungen und großen verschleißfesten Präzisionsteilen eingesetzt.
* Verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs
Als neues Verfahren zur Oberflächenverfestigung wurde die Ionenimplantation bei verschiedenen Materialien angewandt und hat viele Erfolge erzielt. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsbedingungen sind viele Fehlerformen in der Form desselben Materials aufgetreten, und die Vorteile des Ionenimplantationsverfahrens können diese Fehler ausgleichen. Solange der Konstrukteur verschiedene ionenimplantierte Geräte verwendet, um verschiedene Elemente selektiv in die Form zu injizieren, kann das Ziel, die Lebensdauer der Form zu verlängern, auf bequeme Weise erreicht werden.
* Halbleiterindustrie
Mit der Entwicklung von Ionenimplantationsgeräten hat sich die Ionenimplantationstechnologie in der Industrie für integrierte Schaltkreise schnell entwickelt. Aufgrund der guten Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit der Ionenimplantationstechnologie kann der Konstrukteur die ideale Verteilung der Verunreinigungen entsprechend den Anforderungen der Schaltkreis- oder Geräteparameter gestalten.
Die Herstellung eines kompletten Halbleiterbauelements in einem modernen Halbleiterherstellungsprozess umfasst in der Regel viele Schritte (15 ~ 25 Schritte) der Ionenimplantation. Die wichtigsten Prozessparameter der Ionenimplantation sind die Art der Verunreinigung, die Injektionsenergie und die Dotierungsdosis. Die Arten von Verunreinigungen können in n-Typ und p-Typ unterteilt werden. Die Injektionsenergie bestimmt die Tiefe der in das Silizium injizierten Verunreinigungsatome, wobei die hohe Energie tief und die niedrige Energie leicht injiziert wird. Die Dotierung bezieht sich auf die Konzentration der Fremdatome, die die Leitfähigkeit der Dotierschicht bestimmt. Mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie wird der Prozess der ultraflachen Übergänge zum Schlüssel, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen unter 65 nm. Der Ionenimplantationsprozess mit seiner präzisen Injektionstiefe, der Kontrollierbarkeit der Konzentration und der stabilen Wiederholbarkeit zeigt erneut seine Bedeutung für die Herstellung fortschrittlicher Halbleiterbauelemente.
Stanford Advanced Materials (SAM) bietet kundenspezifische Ionenimplantationskomponenten mit hoher Qualität und zu wettbewerbsfähigen Preisen an, darunter Ionenimplantationskomponenten (Wolfram), Ionenimplantationskomponenten (Molybdän), Ionenimplantationskomponenten (TZM-Legierung) usw.
