Definice a obecná charakteristika iontové implantace

Zařízení pro iontovou implantaci

Aplikace iontové implantace pro modifikaci povrchových vlastností kovových materiálů

Průmyslové aplikace iontové implantace do kovových materiálů

Literatura pojednávající o iontové implantaci

Interakce urychlených iontů s pevnou látkou v oblasti středních energií ( 10³ až 10⁶ eV) je disciplina na rozhraní jaderné fyziky a fyziky pevných látek. Teoreticky se těmto interakcím věnoval již Niels Bohr [1]. Důsledkem interakcí energetických iontů s pevnou látkou je řada jevů. Rozprašování, jako jeden z nich, je známo a využíváno již poměrně dlouhou dobu. Při iontovém bombardování povrchu látky vniká podstatná část iontů hlouběji do povrchové vrstvy, kde postupně interakcemi s terčíkovými atomy ionty ztrácejí svoji energii a zabudovávají se do struktury pevné látky. Tento proces se nazývá iontová implantace. Hloubky zabudování iontů (dosahy) jsou statisticky rozděleny.Základy teorie iontových dosahů, z které vyplynuly parametry příslušného statistického rozdělení, položil Lindhard se svými spolupracovníky [2, 3, 4]. Rozdělení iontových dosahů tvoří koncentrační profil implantované příměsi v pevné látce. Shockley ve svém patentu [5] navrhl využití iontové implantace pro dotování polovodičů. Iontová implantace má oproti jiným dotačním polovodičovým technologiím řadu výrazných výhod. Koncentrační profil příměsi, který je v případě polovodičů základním technologickým ukazatelem, se dá iontovou implantací snadno řídit. Je totiž v podstatě funkcí pouze dvou dobře měřitelných implantačních parametrů: energie iontů (dané nastaveným urychlovacím napětím) a dávky iontů (dané implantovaným nábojem měřeným integrací iontového proudu dopadajícího na terčík). Implantací je možné dosáhnout vysoké plošné homogenity fluence a reprodukovatelnosti koncentračního profilu, což je při pokračující miniaturizaci, kdy se dotované struktury vytvářejí již v submikronových hloubkách, naléhavý požadavek. Požadovaný tvar koncentračního profilu lze případně zkonstruovat vícenásobnou implantací při různých energiích a dávkách. Pro polovodičovou technologii je výhodná vysoká čistota implantačního procesu, neboť příměsi lze zavádět (v důsledku elektromagnetické separace s vysokou rozlišovací schopností) až izotopicky čisté a terčík je umístěn v poměrně vysokém a čistém vakuu ( ~ 10^-4 Pa). Nevýhodou v polovodičových aplikacích je jeden z průvodních jevů iontové implantace - poruchy krystalového uspořádání, vznikající při srážkách implantovaných iontů s atomy terčíku ( radiační poruchy). Tyto poruchy se však dají do značné míry odstranit žíháním ( několik desítek minut při vhodné zvýšené teplotě nebo laserovým či elektronovým svazkem za podstatně kratší dobu).

Práce z jiných oblastí uplatnění iontové implantace byly zahájeny později. Rozsáhlejší výzkum modifikace povrchových vrstev kovů začal na počátku sedmdesátých let. Ukázalo se, že iontovou implantací je možné modifikovat mechanické, korozní a supravodivé vlastnosti kovových materiálů. Výzkum ovlivňování těchto vlastností se v průběhu desetiletí rychle rozrostl a v druhé polovině sedmdesátých let se objevily první úspěšné průmyslové aplikace. V současné době již existují komerční aparatury pro rutinní použití iontové implantace jako dokončovací operace u některých speciálních strojírenských výrobků. Modifikaci povrchových vlastností kovových materiálů iontovou implantací jsou věnovány příslušné odstavce. Před částí pojednávající o aplikacích je zařazena charakteristika iontové implantace jako důsledku interakcí urychlených iontů s pevnou látkou.

Urychlený iont po vniknutí do pevné látky postupně ztrácí interakcemi s jádry a elektrony látky svoji energii až se nakonec v nějakém místě zabuduje. Celková délka dráhy, kterou iont proletí od místa vniku do pevné látky do místa jeho zabudování se nazývá dosah iontu R (range). Experimentální stanovení takto definovaného dosahu je prakticky nemožné. Pro aplikaci iontové implantace má především význam veličina Rp (range projected), která se zavádí jako projekce dosahu R do směru počáteční rychlosti iontu.

Jelikož počet srážek a velikost předané energie na srážku jsou náhodné proměnné, nebudou mít všechny ionty při ostatních stejných podmínkách stejné dosahy. Dosahy budou tvořit statistický soubor s příslušným rozdělením. Rozdělení dosahů R_p je vlastně koncentračním profilem implantované příměsi ( t j. závislostí koncentrace na hloubce). Důležitá je závislost rozdělení dosahů na počáteční energii iontů. Rozdělení se obecně vyšetřují ve dvou případech, ve kterých se jejich charakter podstatně liší. V případě amorfního terčíku rozdělení dosahů závisí především na energii, hmotnosti a protonovém čísle implantovaných iontů, hmotnosti a protonovém čísle terčíkových atomů, hustotě terčíkového materiálu, teplotě terčíku během implantace, iontovém proudu a fluenci iontů. Druhý vyšetřovaný případ je implantace do monokrystalického terčíku. Tehdy přistupuje k uvedeným určujícím podmínkám ještě zejména orientace terčíku vzhledem k iontovému svazku. Je-li totiž terčík orientován tak, že iontový svazek je rovnoběžný s některým krystalografickým směrem s nízkými Millerovými indexy, dochází k tzv. kanálování, kdy ionty pronikají do terčíku podstatně hlouběji. Při dostatečném odklonu směru svazku od uvedených krystalografických směrů k výraznému kanálování již nedochází a druhý případ (implantace do monokrystalického terčíku) se posuzuje pro účely vyšetřování dosahů. jako případ první (implantace do amorfního terčíku). Výpočet parametrů rozdělení doletů. se zahrnutím implantačních podmínek a efektů, k nimž při implantaci dochází, je velice komp1ikovaná záležitost. Za různých zjednodušujících předpokladů je řešena řadou autorů. Nejznámější je teorie Lindharda, Scharffa a Schiotta (teorie LSS) pro amorfní terčíky [3], jejíž výsledky se aplikují i na výše zmíněný případ monokrystalických terčíků s dostatečným odklonem kanálovacích směrů od směru iontového svazku. Teorie vychází z rozboru ztrát energie iontů při srážkách s terčíkovými atomy. Ke ztrátám energie iontu přispívají tři procesy, které se považují za vzájemně nezávislé, tedy separovatelné, takže ztráta energie iontu je tvořena součtem ztrát energie z těchto procesů. Jsou to srážky mezi iontem a stíněnými jádry terčíku, interakce s volnými a vázanými e1ektrony terčíku a Výměny nábojů mezi iontem a terčíkovými atomy.

V důsledku jaderné složky srážek iontů s atomy terčíku přenášejí ionty na terčíkové atomy dostatečnou energii k tomu, aby atomy opustily svoji regulární mřížkovou polohu a tím došlo k porušení krystalického uspořádání. Iontem odražené atomy potom podstupují srážky s dalšími terčíkovými atomy atd., takže počet poruch lavinovitě narůstá. Kolem dráhy každého implantovaného iontu tímto způsobem vzniká aglomerace radiačních poruch. Se zvětšováním počtu implantovaných iontů (imp1antační fluence) vzrůstá míra narušení krystalického uspořádání. Zpočátku se tedy jedná o bodové poruchy (vakance a intersticiály), při větších dávkách se vytvářejí velká seskupení a konečně překrýváním takových seskupení může vzniknout i souvislá amorfní vrstva.

Při velkých implantačních.dávkách ( > 10¹⁶ cm^-2 ) může hrát důležitou úlohu rozprašování. Rozprašování je jedním ze sekundárních jevů při iontové implantaci. Jedná se o emisi atomů terčíku v důsledku srážkových kaskád v povrchové vrstvě. Nejdůležitější charakteristikou rozprašování je tzv.výtěžek rozprašování.Udává počet rozprášených atomů na jeden dopadající iont. Výtěžek rozprašování je funkcí mnoha proměnných. Především závisí na hmotnostech iontů a atomů terčíku, na struktuře terčíku, na úhlu dopadu iontů na terčík a na energii iontů. Měřený výtěžek též závisí na tlaku zbytkových plynů v terčové komoře. Při malých fluencích implantovaných iontů lze vliv rozprašování zanedbat; při velkých fluencích ( > 10¹⁶ cm^-2 ) se však může rozprášit mnoho monovrstev materiálu terčíku a rozprašování se pak stává významným doprovodným efektem iontové implantace, který především omezuje další zvyšování koncentrace implantované příměsi.

ZPĚT