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離子注入

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法國圖盧茲LAAS技術設施中的一台離子注入系統

離子佈植是一種低溫工藝，通過該工藝，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器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（英語：Collision cascade）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，還可能導致核嬗變。

原理

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帶有質量分離器的離子注入裝置示意圖

離子注入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，離子注入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，故離子注入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（英語：Ion beam deposition）。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，因此離子注入特別適合表面改性。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（英語：Stopping power (particle radiation)），可用二元碰撞近似（英語：Binary collision approximation）方法模擬。

根據加速器系統性能，離子注入可分為中電流（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]

所有離子注入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，並通過偏置電極提取入束線，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。

離子源

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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）間產生等離子體，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]、四氟化鍺或四氟化硅[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、氬的氫氣可加入等離子體中，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，離子在工藝室到達晶圓前完成能量提升。[14]在中電流注入器中，工藝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分鐘內無法更換工藝配方或參數。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]

「離子注入」的各地常用名稱
中國大陸離子注入
港澳離子注入[20]
臺灣離子佈植[21]、離子植入[22]

參見

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參考

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  1. ^ Ion Implantation ! Semiconductor Digest. [2021-06-21]. （原始內容存檔於2025-04-27） （美國英語）. 
  2. ^ Ion Implantation in Silicon Technology (PDF). [2024-03-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2025-03-17）. 
  3. ^ Ion implantation in CMOS Technology: Machine Challenges. Ion Implantation and Synthesis of Materials. 2006: 213–238. ISBN 978-3-540-23674-0. doi:10.1007/978-3-540-45298-0_15. 
  4. ^ 存档副本 (PDF). [2025-07-21]. （原始內容存檔 (PDF)於2025-05-09）. 
  5. ^ Rimini, Emanuele. Ion Implantation: Basics to Device Fabrication. Springer. 27 November 2013. ISBN 978-1-4615-2259-1. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil. Improved ion source stability using H2 co-gas for fluoride based dopants. 2014 20th International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2014: 1–4. ISBN 978-1-4799-5212-0. doi:10.1109/IIT.2014.6940042. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Source Materials Enable the Evolution of the Ion-Implantation Process. 8 February 2020 [2025-07-21]. （原始內容存檔於2025-05-13）. 
  8. ^ Stellman, Jeanne Mager. Encyclopaedia of Occupational Health and Safety. International Labour Organization. 28 February 1998. ISBN 978-92-2-109816-4. 
  9. ^ 9.0 9.1 Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. 19 December 2017. ISBN 978-1-4200-1766-3. 
  10. ^ Horsky, Thomas N. Indirectly heated cathode arc discharge source for ion implantation of semiconductors. Review of Scientific Instruments. April 1998, 69 (4): 1688–1690. Bibcode:1998RScI...69.1688H. doi:10.1063/1.1148866. 
  11. ^ 11.0 11.1 Tanjyo, Masayasu; Naito, Masao. History of Ion Implanter and Its Future Perspective (PDF). global-sei.com. （原始內容存檔 (PDF)於1 December 2024）. 
  12. ^ Sakai, Shigeki; Hamamoto, Nariaki; Inouchi, Yutaka; Umisedo, Sei; Miyamoto, Naoki. Ion sources for ion implantation technology (invited). Review of Scientific Instruments. February 2014, 85 (2): 02C313. Bibcode:2014RScI...85bC313S. PMID 24593650. doi:10.1063/1.4852315. 
  13. ^ Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil K. Exemplary Ion Source for the Implanting of Halogen and Oxygen Based Dopant Gases. 2016 21st International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2016: 1–4. ISBN 978-1-5090-2024-9. doi:10.1109/IIT.2016.7882870. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Production-worthy Al beams for SiC applications (PDF). www.axcelis.com. （原始內容存檔 (PDF)於18 February 2024）. 
  15. ^ Henderson, Christopher. Ion Implanation Part 1 - Equipment (PDF). www.semitracks.com. Semitracks. （原始內容存檔 (PDF)於18 February 2024）. 
  16. ^ Walther, S.R.; Pedersen, B.O.; McKenna, C.M. Ion sources for commercial ion implanter applications. Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference. 1991: 2088–2092. ISBN 0-7803-0135-8. doi:10.1109/PAC.1991.164876. 
  17. ^ Satoh, Shu; Platow, Wilhelm; Kondratenko, Serguei; Rubin, Leonard; Mayfield, Patrick; Lessard, Ron; Bonacorsi, Genise; Jen, Causon; Whalen, Paul; Newman, Russ. Purion XEmax, Axcelis ultra-high energy implanter with Boost™ technology. MRS Advances. 10 January 2023, 7 (36): 1490–1494. doi:10.1557/s43580-022-00442-9. 
  18. ^ Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. John Wiley & Sons. 26 May 2006. ISBN 978-0-471-79027-3. 
  19. ^ Hamm, Robert W.; Hamm, Marianne E. Industrial Accelerators and Their Applications. World Scientific. 2012. ISBN 978-981-4307-04-8. 
  20. ^ 離子注入與電鍍實驗室. 香港科技大學納米系統製造實驗所. [2023-11-19]. （原始內容存檔於2020-02-19）. 
  21. ^ 離子佈植. 樂詞網. 國家教育研究院. [2023-12-25] （中文（臺灣））. 
  22. ^ 離子植入法. 樂詞網. 國家教育研究院. [2023-12-25] （中文（臺灣））. 

外部連結

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維基共享資源上的相關多媒體資源：離子注入
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