Основные параметры ионных источников.

1. Величина общего ионного тока и начальная плотность тока , где – сечение выходного отверстия.

2. Энергия ускоренных ионов.

3. Разброс энергии ионов в пучке.

4. Степень модуляции ионного тока ,

где –переменная составляющая тока пучка.

5. Экономичность или отношение тока пучка к общей затраченной мощности (мА/Вт).

6. Газовая экономичность или отношение числа атомов, превращаемых в ионы, к числу атомов, подводимых к источнику .

7. Плотность тока ионов в кроссовере пучка в случае сфокусированных пучков.

Требования к определенным параметрам источника предъявляются в зависимости от его назначения.

9. Ионная имплантация.

Ио́нная импланта́ция — способ введения атомов примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ее поверхности пучком ионов c высокой энергией (10—2000 кэВ).

Широко используется при создании полупроводниковых приборов методом планарной технологии для образования в приповерхностном слое полупроводника областей с содержанием донорных или акцепторных примесей с целью создания p-n-переходов и гетеропереходов, а так же низкоомных контактов.

Ионную имплантацию также применяют как метод легирования металлов для изменения их физических и химических свойств (повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.).

По сравнению с традиционными способами легирования метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ:

• имплантация не изменяет геометрические размеры обрабатываемых изделий, что позволяет использовать ионную имплантацию в качестве финишной обработки в существующих технологических процессах;

• имплантацию примесей можно приводить при температуре, близкой к комнатной;

• обеспечивается одновременно дисперсионное и деформационное упрочнение поверхностного слоя;

• не существует проблем адгезии;

• существует возможность упрочнения за счет аморфизации поверхности, что позволяет улучшать свойства упрочненных мартенистых сталей.

Рис.1. Ионно-лучевая установка

Рис.2. Механизм ионной имплантации

Принцип работы

Основными блоками ионно-лучевой установки являются источник ионов(ion source), ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования пучком ионов, и камера, в которой находится бомбардируемый образец (substrate). Ионы имплантируемого материала разгоняются в электростатическом ускорителе и бомбардируют образец. Ионы ускоряются до энергий 10-5000кэВ. Проникновение ионов в глубину образца зависит от их энергии и составляет от нескольких нанометров, до нескольких микрометров. Ионы с энергией 1-10 кэВ не вызывают изменений в структуре образца, тогда как более энергетичные потоки ионов могут значительно его разрушить.

Технология ионного имплантирования разрешает внедрить заданное количество практически любого химического элемента на заданную глубину, позволяя таким образом сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур. Возможно создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали.

Введение импланта в основную решетку материала возможно без «соблюдения» законов термодинамики, определяющих равновесные процессы, например, диффузию и растворимость.

Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине:

• слой с измененным химическим составом до 1-9 мкм;

• слой с измененной дислокационной структурой до 100 мкм.

Сталкиваясь с электронами и ядрами мишени, ионы легирующего вещества на некоторой глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов, а также свойства обрабатываемого материала, то глубина проникновения (или длина пробега) может быть вычислена. Для пучков с типичными энергиями от 10 до 500 кэВ величина пробега достигает одного мкм. Как уже указывалось, вследствие влияния большого числа факторов, эпюра распределения внедренного вещества в поверхность близка по форме гауссовскому распределению. Внедрение ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры. Выбитые из узлов решетки атомы вещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедренных межузельных атомов. Такие же дефекты возникают при застревании между узлами решетки ионов. Скопление таких дефектов образует дислокации и целые дислокационные комплексы.

Применение в электронной промышленности

Легирование полупроводников

Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией оно позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами толщиной менее 0,1 мкм с высокой воспроизводимостью параметров.

Ионы элементов, используемых обычно для создания примесной проводимости, внедряясь в кристалл полупроводника занимают в его решетке положение атомов замещения, создавая тем самым соответствующий тип проводимости. Внедряя ионы III и V групп в монокристалл кремния, можно получить p-n переход в любом месте и на любой прощади кристалла.

Возможность легирования полупроводников (doping) из газовой фазы бором, фосфором, арсенидом является важнейшей особенностью ионной имплантации. Такой процесс легирования считается одним из наиболее чистых методов. Имплатированый ион создает в полупроводнике заряд (дырку или электрон), меняя при этом его проводимость, что позволяет создать на поверхности кремния, например, изолирующую поверхность. Имплантированные ионы кислорода окисляют кремний превращающих его в окись кремния, являющегося прекрасным изолятором. (Для этого необходимо провести отжиг(annealing)). Этот процепсс называется SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen)(разделение имплантированным кислородом)

Другие применения

Для получения фуллеренов и нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом может применяться ионная имплантация частиц в наноструктуры углерода.

Применение в металлургии

Ионы азота применяются для упрочнения поверхности стальных режущих инструментов (фрезы, сверла и др). Имплантация этих ионов предотвращает образование трещин на поверхности металла и уменьшает коррозиционные и фрикционные свойства стали.

Часто применяют одновременную имплантацию ионов различных атомов. Это важно когда необходимо создать адгезию между материалами, которые в природе плохо смешиваются.

В настоящее время технология ионной имплантации позволяют обрабатывать рабочие лопатки паровых турбин размером до 1700 мм.

При этом увеличивается:

• предел усталости на 7-25 %;

• долговечность более чем в 20 раз;

• адгезионная прочность последующих покрытий;

При нанесении защитных покрытий на турбинные лопатки из жаропрочных сплавов достигаетя повышение:

• жаростойкости в 2,5 раза,

• коррозионной стойкости в 1,9 раза

• длительной прочности в 1,6 раза

• сопротивления усталости в 1,2 раза

Ионная имплантация используется как один из методов для придания верхнему слою металла аморфной структуры.