Iontová implantace je metoda konstrukčních materiálů . Jak název napovídá, používá se k implantaci iontů z jednoho materiálu do jiného pevného tělesa, čímž se mění fyzikální vlastnosti tohoto pevného tělesa. Iontová implantace se používá při výrobě polovodičových součástek , při povrchové úpravě kovů a při výzkumu materiálových věd. Iony umožňují měnit chemické vlastnosti cíle, ale také strukturní vlastnosti, protože může dojít k poškození nebo dokonce zničení krystalické struktury cíle.
Iontové implantační zařízení se obvykle skládá ze zdroje generování iontů, urychlovače částic a cílové komory. Urychlovač využívá elektrostatické vlastnosti iontu ke zvýšení jeho energie . Množství implantovaného materiálu, nazývaného dávka , je integrální v čase iontového proudu. Tyto elektrické proudy zapojené v implantátorech jsou řádově microampere se miliampérech . Umožňují proto implantovat jen malé množství iontů. To je hlavní důvod, proč se tato technika používá pouze v oblastech, kde je požadovaná modifikace malá.
Zrychlení iontů obvykle dosahuje energií v rozmezí od 10 do 500 keV . Je však možné se omezit na energie nižší než 10 keV , ale v tomto případě penetrace nikdy nepřesáhne několik nanometrů. Rovněž se nalézají urychlovače, které jsou schopné zrychlit ionty až na 5 MeV , ale to způsobuje značné strukturální poškození cíle. Na druhou stranu, protože distribuce hloubky penetrace je široká, je změna složení v daném bodě relativně malá.
Zavádění dopantů do polovodiče je nejběžnější aplikací iontové implantace. Ionty používané k dopingu, jako je bór, fosfor nebo arsen, se obvykle vyrábějí z plynného zdroje, což zajišťuje vysokou čistotu zdroje. Tyto plyny bývají velmi nebezpečné. Když jsou implantovány do polovodiče, každý dopingový atom vytváří nosič náboje (otvor nebo elektron v závislosti na tom, zda se jedná o dopant typu p nebo n), čímž lokálně modifikuje vodivost polovodiče.
Mesotaxis je metoda, při které krystalograficky uzavřená fáze roste pod povrchem hostitelského krystalu (na rozdíl od epitaxe, kde k růstu uzavřené fáze dochází na povrchu substrátu). V tomto procesu jsou ionty implantovány do materiálu pomocí vysoké dávky a vysoké energie k vytvoření druhé fáze. Teplota je poté řízena tak, aby nedošlo ke zničení krystalové struktury cíle. Krystalovou orientaci vrstvy lze uspořádat tak, aby odpovídala cíli, ačkoli přesná krystalová struktura a mřížková konstanta se mohou velmi lišit. Například po implantaci iontů niklu do křemíkové destičky může vrstva silicidu niklu růst s krystalickou orientací silicidu, která odpovídá křemíku.
Iontová implantace je také metoda používaná pro přípravu substrátů křemík na izolátoru (SOI) z konvenčních křemíkových substrátů. Separace kyslíkové implantace (SIMOX) je proces, při kterém se vysoká dávka implantovaného kyslíku přeměňuje na oxid křemičitý vysokou žíhací teplotou .
Dusíku a další ionty jsou implantovány na ocelovém nástroje ( vrtáky , například). Strukturální změny způsobené implantací způsobují stlačení povrchu oceli, které zabraňuje šíření trhlin a zvyšuje odolnost materiálu proti lomu. Implantace chemicky mění povrch a vytváří slitinu, díky níž je nástroj odolnější vůči korozi . U některých aplikací, jako jsou protézy kloubů, je žádoucí mít povrchy, které jsou vysoce odolné jak proti chemické korozi, tak proti opotřebení v důsledku tření . Iontovou implantaci lze poté použít k návrhu povrchů těchto zařízení pro lepší výkon.
Každý iont produkuje řadu bodových defektů v cílovém krystalu při nárazu, jako jsou volná místa nebo intersticiální atomy. Volná místa jsou body v krystalové mřížce, které neobsazuje atom. V tomto případě má srážka mezi iontem a cílovým atomem za následek přenos významného množství energie, která tento cílový atom vysune. To se pak samo stane projektilem v tělese a může způsobit další po sobě jdoucí srážky. Když se tento atom (nebo původní iont samotný) zastaví v pevné látce, aniž by našel volné místo v krystalové mřížce, nazývá se to intersticiální atom. Tyto bodové vady mohou také migrovat nebo se spojit s ostatními, což má za následek dislokační smyčky nebo jiné vady.
Pokud má cíl krystalografickou strukturu, některé krystalografické směry mají mnohem kratší brzdnou vzdálenost než jiné. Výsledkem je, že rozsah iontu může být mnohem větší, pokud se iont pohybuje přesně podél určitého směru, jako je směr <110> v křemíku a jiných materiálech s diamantovou strukturou . Tento efekt se nazývá iontové směrování. Jedná se o silně nelineární efekt, kdy malé odchylky od orientace krystalů vedou k velkým odchylkám v implantační hloubce. Z tohoto důvodu se většina rozvržení provádí mírně mimo střed o několik stupňů, kde malé chyby zarovnání mají předvídatelnější účinky.
Efekt směrování iontů lze přímo použít pro Rutherfordův zpětný rozptyl a související techniky jako analytickou metodu pro stanovení množství a hloubkového profilu poškození v tenkých krystalických filmech .
Množství defektů generovaných implantací může být dostatečné pro úplnou amorfizaci povrchu terče. V některých případech je úplná amorfizace terče výhodnější než u krystalu se spoustou defektů, protože na amorfním filmu lze provést nový růst při teplotě nižší, než je teplota potřebná k žíhání silně poškozeného krystalu.
Plazmová imerze implantací ( anglicky : plasma-imersion ion implantation, PIII ), jak naznačuje její název, používá plazmu jako zdroj dopingových nečistot. Zatímco takzvaná „konvenční“ implantace transportuje ionty v paprsku, substrát je zde přímo ponořen do plazmy. Jakmile je plazma vytvořena v procesní komoře, je na držák substrátu přivedeno záporné napětí. Poté je kolem „držáku substrátu“ vytvořena prostorová nábojová zóna a všechny pozitivní iontové druhy obsažené v plazmě a umístěné v této zóně jsou urychleny a poté implantovány do substrátu s energií rovnou polarizačnímu napětí (pro nabitý mono iont ). Dávka implantovaných iontů je přímo úměrná době, během které je substrát vystaven plazmě za přítomnosti tohoto napětí. V případě implantace PIII nejsou ionty před implantací tříděny, všechny pozitivní druhy plazmy jsou implantovány do substrátu.
Ve srovnání s konvenční implantací má tato dopingová technika několik výhod. Nejprve se zbaví vytváření iontového paprsku, který vyžaduje minimální energii pro transport iontů a vede k energetické kontaminaci (implantace iontů při vyšší energii). Implantace ponořením do plazmy umožňuje implantaci velmi nízké energie (< 500 eV ), a proto je mělká. To mu nabízí zájem o všechny nanotechnologie vyžadující implantaci na malé tloušťky (<10 nm). Další výhodou implantace PIII je skutečnost, že je vícesměrná. Je tedy možné implantovat na stranu vzoru bez orientace substrátu.