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離子佈植
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離子佈植是一種低溫製程，通過該製程，可將特定離子在電場裡加速，然後嵌入到另一固體靶材之中。如果注入離子在靶材內停留不逸出，就會改變靶材的元素成分。使用這個技術可以改變固體材料的物理、化學或電學性質，現在已經廣泛應用於半導體元件製造和某些材料科學研究。離子注入帶有能量的碰撞級聯可能損傷甚至破壞靶材的晶體結構，當離子能量足夠高（數十兆電子伏特）時，還可能導致核轉換。
原理
離子佈植設備通常由一個離子源（用於產生所需離子種類）、一個粒子加速器（通過靜電或射頻方式將離子加速至高能）、以及一個靶材室組成，離子在此轟擊被注入物質。因此，離子佈植是粒子輻射的一種特殊形式。每個離子通常為單個原子或分子，注入量等於離子電流隨時間的累積，稱為劑量。由於注入電流一般較小（微安級），因此在合理時間內可注入的劑量也較少，故離子佈植多用於需要微量化學修飾的場合。
典型離子的能量範圍為10-500 keV（1600-80000 aJ）。1-10 keV（160-1600 aJ）的低能注入可用，但僅能滲透數納米或更淺；能量更低則對靶材損傷極小，稱為離子束沉積。高能注入器（如可達5 MeV的加速器）也很常見，但會對靶材造成嚴重結構損傷，且由於布拉格尖峰分布寬，任一點的成分改變均有限。
離子能量、離子種類及靶材成分共同決定其在固體中的注入深度：單能離子束通常具有較寬的深度分布，其平均滲透深度稱為離子射程。一般離子射程介於10 nm至1 μm之間，因此離子佈植特別適合表面改性。離子在固體中逐漸損失能量，既有與靶原子的偶發碰撞（造成瞬時能量轉移），也有電子軌道重疊產生的連續能量阻礙，這一能量損失過程稱為阻止功率，可用二元碰撞近似方法類比。
根據加速器系統性能，離子佈植可分為中電流（10 μA至約2 mA）、高電流（最高約30 mA）、高能（能量200 keV至10 MeV）及超高劑量（注入劑量大於1016 ions/cm2）四種類型。[1][2][3]
所有離子佈植束線設計都包含若干功能單元。第一段為離子源，用於產生所需離子，並通過偏壓電極提取入束線，隨後常配合某種離子種類選擇裝置，將特定離子輸送至主加速區。
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離子源通常由高熔點材料製成，如鎢、摻鈰鎢（氧化鑭鎢）、鉬和鉭。氧化鑭可延長離子源壽命。[4]源內常在兩根鎢電極（反射極）間產生電漿，氣體通常含有欲注入離子的氟或氫，例如三氟化硼[5]、二氟化硼[6]、四氟化鍺或四氟化矽[7]。可使用砷化氫氣體或磷化氫氣體提供砷或磷離子[8]。離子源還配有間接加熱陰極；陰極亦可兼作反射極，從而省去獨立反射極[9][10][11]；亦有直接加熱陰極設計[12]。
含氧氣體（氧化物）可用於提供注入離子的氣體，例如用於注入碳的二氧化碳。氫氣或混有氙、氪、氬的氫氣可加入電漿中，以延緩鎢部件因鹵素循環而退化。[7][11][13][6] 氫氣可來自高壓鋼瓶，也可由電解制氫裝置產生。[14]離子源兩端的排斥極不斷將原子從一端移向另一端，類似兩面相對的鏡子不斷反射光線。[9]
離子通過離子源外的提取電極，經源體狹縫狀小孔被提取出來，[15][16]然後離子束通過分析磁體以篩選將要注入的離子，再通過一至兩個線性加速器（linac）[17]加速後，離子在製程室到達晶圓前完成能量提升。[14]在中電流注入器中，製程室前還設有中性離子捕捉裝置，以去除離子束中的中性粒子。[18]
某些摻雜劑如鋁常不是以氣體形式提供給離子源，而是以基於氯或碘的固態化合物形式在附近坩堝中汽化，例如碘化鋁或氯化鋁；也可在離子源內使用氧化鋁或氮化鋁固體濺射靶。[14]注入銻通常需在離子源上連接霧化器，將三氟化銻、三氧化二銻或固體銻在坩堝中汽化，並通過載氣將蒸氣輸送至鄰近離子源；也可採用含氟氣體（如六氟化銻）或從液態五氟化銻汽化的方式注入。[7]鎵、硒和銦常由固體源注入，如用二氧化硒注入硒，也可由硒化氫注入。坩堝壽命通常為60-100小時，使得注入器在20-30分鐘內無法更換製程配方或參數。離子源壽命通常約為300小時。[6][7]
「質量」選擇（類似於質譜儀）通常伴隨讓提取出的離子束通過受阻通道或「狹縫」限制的磁場區域，僅允許具有特定質量與速度/電荷乘積的離子繼續前行。若靶面大於離子束直徑且需獲得均勻植入劑量，則通過束掃描與晶圓運動相結合來實現。最後，將植入表面與某種累積離子電荷的收集方法耦合，以連續測量輸出劑量，並在達到預定劑量時停止注入過程。[19]
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參見
- 西澤潤一——離子佈植法的發明人
參考
外部連結
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