26. Контрольоване введення радіаційних порушень з допомогою іонної імплантації.

Іонна імплантація - це процес нанесення покриття з модифікацією поверхні виробу, у якому легуючий елемент іонізується, прискорюється системою з градієнтом потенціалу та імплантується на поверхню підкладки. До процесів з іонною імплантацією належать і процеси, де іонна імплантація здійснюється одночасно під час електронно-променевого осадження або осадження розпилюванням.

Основними блоками іонно-променевої установки є джерело іонів (ion source), іонний прискорювач, магнітний сепаратор, система сканування пучком іонів, і камера, в якій знаходиться бомбардіруемий зразок (substrate). Іони матеріалу, що імплантується розганяються в електростатичному прискорювачі і бомбардують зразок. Іони прискорюються до енергій 10-5000кеВ. Проникнення іонів в глибину зразка залежить від їх енергії і становить від кількох нанометрів, до декількох мікрометрів. Іони з енергією 1-10 кеВ не викликають змін в структурі зразка, тоді як більш енергетичні потоки іонів можуть значно його зруйнувати. Технологія іонного імплантування дозволяє впровадити задану кількість практично будь-якого хімічного елемента на задану глибину, дозволяючи таким чином сплавляти метали, які в розплавленому стані не змішуються, або легувати одна речовина іншим у пропорціях, які неможливо досягти навіть при використанні високих температур. Можливо створювати композиційні системи з унікальними структурами і властивостями, суттєво відмінними від властивостей основної маси деталі. Введення імпланта в основну сітку матеріалу можливе без «дотримання» законів термодинаміки, що визначають рівноважні процеси, наприклад, дифузію і розчинність. Іонна імплантація призводить до значної зміни властивостей поверхні по глибині:     шар зі зміненим хімічним складом до 1-9 мкм;     шар зі зміненою дислокаційної структурою до 100 мкм. Стикаючись з електронами і ядрами мішені, іони легуючого речовини на певній глибині втрачають енергію і зупиняються. Якщо відомі тип та енергія іонів і властивості оброблюваного матеріалу, то глибина проникнення (або довжина пробігу) може бути обчислена. Для пучків з типовими енергіями від 10 до 500 кеВ величина пробігу досягає одного мкм. Як уже зазначалося, внаслідок впливу великої кількості факторів, епюра розподілу впровадженого речовини в поверхню близька за формою гауссовскому розподілу. Впровадження іонів в кристалічну решітку оброблюваного матеріалу приводить до появи дефектів структури. Вибиті з вузлів решітки атоми речовини призводять до утворення вакансій і дефектів структури у вигляді впроваджених межузельних атомів. Ці ж дефекти виникають при застряванні між вузлами решітки іонів. Скупчення таких дефектів утворює дислокації і цілі дислокаційні скупчення.

Основною перевагою технології іонної імплантації є можливість точного управління кількістю впроваджених атомів домішки. Потрібну концентрацію легуючої домішки (в кремнії в діапазоні жовтні 1914 -10 21 см - 3) одержують після відпалу мішені. Крім того, можна легко керувати профілем розподілу впроваджених іонів по глибині підкладки. Процес іонної імплантації, що проводиться у вакуумі, відноситься до категоріі.чістих і сухих. процесів.

Одним з недоліків іонної імплантації та методу радіаційного легування є одночасне з легуванням освіта в опромінюваних кристалах радіаційних порушень кристалічної решітки, що істотно змінює електрофізичні властивості матеріалу. Тому необхідною стадією процесу при отриманні іонно-легованих та радіаційно-легованих кристалів є термообробка (відпал) матеріалу після опромінення. Відпал іонно-імплантованих шарів проводиться для активування імплантованих атомів, зменшення дефектів кристалічної структури, що утворюються при іонній імплантації та радіаційному легуванні, і в кінцевому рахунку, для створення області із заданим законом розподілу легуючої домішки і певну геометрію. Іншими недоліками даного методу легування є вартість опромінення і необхідність дотримання заходів радіаційної безпеки.

Тим не менш іонна імплантація і радіаційне легування кристалів зараз - важливі і швидко розвиваються галузі технології напівпровідників. Так як йонна імплантація забезпечує більш точний контроль загальної дози легуючої домішки в діапазоні 10 1 1-10 16 см 2, там, де це можливо, нею замінюють процеси дифузійного легування. Дуже інтенсивно іонна імплантація використовується для формування надвеликих інтегральних схем. Метод радіаційного легування використовується для отримання кремнію, необхідного для виробництва силових приладів, де в якості головної вимоги виступає висока однорідність розподілу домішок в кристалі.