Implantation ionique : concept, principe de fonctionnement, méthodes, objectif et application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

L'implantation ionique est un processus à basse température par lequel les composants d'un seul élément sont accélérés dans la surface solide d'une plaquette, modifiant ainsi ses propriétés physiques, chimiques ou électriques. Cette méthode est utilisée dans la production de dispositifs semi-conducteurs et dans la finition des métaux, ainsi que dans la recherche en science des matériaux. Les composants peuvent modifier la composition élémentaire de la plaque s'ils s'y arrêtent et y restent. L'implantation ionique provoque également des changements chimiques et physiques lorsque les atomes entrent en collision avec une cible à haute énergie. La structure cristalline de la plaque peut être endommagée ou même détruite par des cascades d'énergie de collisions, et des particules d'énergie suffisamment élevée (10 MeV) peuvent provoquer une transmutation nucléaire.

Principe général de l'implantation ionique

L'équipement consiste généralement en une source où les atomes de l'élément souhaité sont formés, un accélérateur où ils sont accélérés électrostatiquement à un niveau élevél'énergie et les chambres cibles où ils entrent en collision avec la cible, qui est le matériau. Ainsi, ce processus est un cas particulier de rayonnement de particules. Chaque ion est généralement un atome ou une molécule unique, et donc la quantité réelle de matériau implanté dans la cible est l'intégrale temporelle du courant ionique. Ce nombre s'appelle la dose. Les courants fournis par les implants sont généralement faibles (microampères) et, par conséquent, la quantité pouvant être implantée dans un laps de temps raisonnable est faible. Par conséquent, l'implantation ionique est utilisée dans les cas où le nombre de modifications chimiques requises est faible.

Les énergies typiques des ions vont de 10 à 500 keV (1 600 à 80 000 aJ). L'implantation ionique peut être utilisée à de faibles énergies dans la gamme de 1 à 10 keV (160 à 1600 aJ), mais la pénétration n'est que de quelques nanomètres ou moins. Une puissance inférieure à celle-ci entraîne très peu de dommages à la cible et relève de la désignation de dépôt par faisceau ionique. Et des énergies plus élevées peuvent également être utilisées: les accélérateurs capables de 5 MeV (800 000 aJ) sont courants. Cependant, il y a souvent beaucoup de dommages structurels à la cible, et comme la distribution en profondeur est large (pic de Bragg), le changement net de composition en tout point de la cible sera faible.

L'énergie des ions, ainsi que les différents types d'atomes et la composition de la cible, déterminent la profondeur de pénétration des particules dans un solide. Un faisceau d'ions monoénergétique a généralement une large distribution en profondeur. La pénétration moyenne est appelée la gamme. Àdans des conditions typiques, il sera compris entre 10 nanomètres et 1 micromètre. Ainsi, l'implantation d'ions à faible énergie est particulièrement utile dans les cas où l'on souhaite que le changement chimique ou structurel soit proche de la surface cible. Les particules perdent progressivement leur énergie lorsqu'elles traversent un solide, à la fois à cause de collisions aléatoires avec des atomes cibles (qui provoquent des transferts d'énergie brusques) et d'une légère décélération due au chevauchement des orbitales d'électrons, qui est un processus continu. La perte d'énergie des ions dans une cible est appelée décrochage et peut être modélisée à l'aide de la méthode d'implantation d'ions de l'approximation de collision binaire.

Les systèmes d'accélérateurs sont généralement classés en courant moyen, courant élevé, haute énergie et dose très importante.

Toutes les variétés de conceptions de faisceaux d'implantation d'ions contiennent certains groupes communs de composants fonctionnels. Prenons des exemples. Les premiers fondements physiques et physico-chimiques de l'implantation ionique comprennent un dispositif appelé source de génération de particules. Ce dispositif est étroitement associé à des électrodes polarisées pour extraire les atomes dans la ligne de faisceau et le plus souvent à des moyens de sélection de modes spécifiques de transport vers la section principale de l'accélérateur. La sélection de la "masse" s'accompagne souvent du passage du faisceau d'ions extrait à travers une région de champ magnétique avec un chemin de sortie limité par des trous de blocage ou des "fentes" qui n'autorisent que les ions avec une certaine valeur du produit de la masse et de la vitesse. Si la surface cible est plus grande que le diamètre du faisceau ionique etsi la dose implantée est répartie plus uniformément sur celle-ci, alors une combinaison de balayage du faisceau et de mouvement de la plaque est utilisée. Enfin, la cible est connectée à un moyen de collecter la charge accumulée des ions implantés afin que la dose délivrée puisse être mesurée en continu et que le processus soit arrêté au niveau souhaité.

Application dans la fabrication de semi-conducteurs

Le dopage au bore, au phosphore ou à l'arsenic est une application courante de ce procédé. Dans l'implantation ionique des semi-conducteurs, chaque atome dopant peut créer un porteur de charge après recuit. Vous pouvez construire un trou pour un dopant de type p et un électron de type n. Cela modifie la conductivité du semi-conducteur dans son voisinage. La technique est utilisée, par exemple, pour régler le seuil d'un MOSFET.

L'implantation ionique a été développée comme méthode d'obtention d'une jonction pn dans les dispositifs photovoltaïques à la fin des années 1970 et au début des années 1980, parallèlement à l'utilisation d'un faisceau d'électrons pulsés pour un recuit rapide, bien qu'elle n'ait pas été commercialisée à ce jour.

Silicium sur isolant

L'une des méthodes bien connues pour produire ce matériau sur substrats isolants (SOI) à partir de substrats de silicium conventionnels est le procédé SIMOX (séparation par implantation d'oxygène), dans lequel l'air à haute dose est converti en oxyde de silicium par un processus de recuit à haute température.

Mésotaxie

C'est le terme pour la croissance cristallographiquephase coïncidente sous la surface du cristal principal. Dans ce processus, les ions sont implantés à une énergie et une dose suffisamment élevées dans le matériau pour créer une seconde couche de phase, et la température est contrôlée de sorte que la structure cible ne soit pas détruite. L'orientation cristalline de la couche peut être conçue en fonction de l'objectif, même si la constante de réseau exacte peut être très différente. Par exemple, après avoir implanté des ions de nickel dans une plaquette de silicium, une couche de siliciure peut être développée dans laquelle l'orientation cristalline correspond à celle du silicium.

Application de finition métallique

L'azote ou d'autres ions peuvent être implantés dans une cible en acier à outils (comme une perceuse). Le changement structurel induit une compression de surface dans le matériau, ce qui empêche la propagation des fissures et le rend ainsi plus résistant à la rupture.

Finition de surface

Dans certaines applications, par exemple pour les prothèses telles que les articulations artificielles, il est souhaitable d'avoir une cible très résistante à la fois à la corrosion chimique et à l'usure due au frottement. L'implantation ionique est utilisée pour concevoir les surfaces de tels dispositifs pour des performances plus fiables. Comme pour les aciers à outils, la modification ciblée causée par l'implantation ionique comprend à la fois la compression de surface pour empêcher la propagation des fissures et l'alliage pour le rendre plus résistant chimiquement à la corrosion.

Autreapplications

L'implantation peut être utilisée pour obtenir un mélange de faisceaux d'ions, c'est-à-dire un mélange d'atomes de différents éléments à l'interface. Cela peut être utile pour obtenir des surfaces graduées ou pour améliorer l'adhérence entre les couches de matériaux non miscibles.

Formation de nanoparticules

L'implantation ionique peut être utilisée pour induire des matériaux à l'échelle nanométrique dans des oxydes tels que le saphir et le dioxyde de silicium. Des atomes peuvent se former à la suite d'une précipitation ou de la formation de substances mixtes contenant à la fois un élément implanté d'ions et un substrat.

Les énergies typiques des faisceaux ioniques utilisés pour obtenir des nanoparticules sont comprises entre 50 et 150 keV, et la fluence ionique est comprise entre 10-16 et 10-18 kV. voir Une grande variété de matériaux peuvent être formés avec des tailles allant de 1 nm à 20 nm et avec des compositions pouvant contenir des particules implantées, des combinaisons constituées uniquement d'un cation lié au substrat.

Les matériaux diélectriques tels que le saphir, qui contiennent des nanoparticules dispersées d'implantation d'ions métalliques, sont des matériaux prometteurs pour l'optoélectronique et l'optique non linéaire.

Problèmes

Chaque ion individuel produit de nombreux défauts ponctuels dans le cristal cible lors de l'impact ou de l'interstitiel. Les lacunes sont des points de réseau non occupés par un atome: dans ce cas, l'ion entre en collision avec l'atome cible, ce qui conduit à lui transférer une quantité importante d'énergie, de sorte qu'il quitte sonterrain. Cet objet cible devient lui-même un projectile dans un corps solide et peut provoquer des collisions successives. Les interstices se produisent lorsque de telles particules s'arrêtent dans un solide mais ne trouvent pas d'espace libre dans le réseau pour y vivre. Ces défauts ponctuels lors de l'implantation ionique peuvent migrer et se regrouper les uns avec les autres, entraînant la formation de boucles de dislocation et d'autres problèmes.

Amorphisation

La quantité de dommages cristallographiques peut être suffisante pour transformer complètement la surface cible, c'est-à-dire qu'elle doit devenir un solide amorphe. Dans certains cas, une amorphisation complète de la cible est préférable à un cristal présentant un haut degré de défectuosité: un tel film peut repousser à une température inférieure à celle requise pour recuire un cristal fortement endommagé. L'amorphisation du substrat peut se produire à la suite de changements de faisceau. Par exemple, lors de l'implantation d'ions yttrium dans du saphir à une énergie de faisceau de 150 keV jusqu'à une fluence de 510-16 Y+/sq. cm, une couche vitreuse d'environ 110 nm d'épaisseur se forme, mesurée à partir de la surface externe.

Spray

Certains des événements de collision provoquent l'éjection d'atomes de la surface, et ainsi l'implantation d'ions grignotera lentement la surface. L'effet n'est perceptible qu'à très fortes doses.

Canal ionique

Si une structure cristallographique est appliquée à la cible, en particulier dans les substrats semi-conducteurs où elle est plusest ouvert, alors certaines directions s'arrêtent beaucoup moins que d'autres. Le résultat est que la portée d'un ion peut être beaucoup plus grande s'il se déplace exactement le long d'un certain chemin, comme dans le silicium et d'autres matériaux cubiques en diamant. Cet effet est appelé canalisation ionique et, comme tous les effets similaires, est hautement non linéaire, avec de petits écarts par rapport à l'orientation idéale entraînant des différences significatives dans la profondeur d'implantation. Pour cette raison, la plupart fonctionnent à quelques degrés hors axe, où de minuscules erreurs d'alignement auront des effets plus prévisibles.