イオン注入の概要

はじめに

イオン注入は、ある元素のイオンを固体ターゲットに加速し、ターゲットの物理的、化学的、電気的特性を変化させる低温プロセスである。イオン注入の部品は、TZM合金、モリブデン、タングステンで作られることが多い。

イオン注入は、30年近くにわたり、材料の表面改質技術として、世界中で活況を呈しており、広く利用されているハイテク技術である。そのユニークで卓越した利点により、このハイテクは、ドープされた半導体材料、金属、セラミックス、ポリマーなどの表面改質に極めて広く応用され、莫大な経済的・社会的利益を得ています。

電子産業では、イオン注入はマイクロエレクトロニクス技術における重要なドーピング技術の一つとなっており、またMOSFETのしきい値電圧を制御する重要な手段でもあります。また、イオン注入はMOSFETのしきい値電圧を制御する重要な手段であり、現代の大規模集積回路の製造において、イオン注入は不可欠な手段の一つであると言えます。

イオン注入の方法

イオン注入は、真空・低温で加速するため、運動エネルギーを持った不純物イオンが直接半導体に入り込みます。同時に、半導体に格子欠陥を発生させることがあるため、イオン注入後に低温アニールやレーザーアニールで欠陥を除去する必要があります。イオン注入の不純物濃度は、一般的にガウス分布となり、最も濃度が高いのは表面ではなく、ある深さ内になります。

イオン注入の利点

イオン注入の利点は、不純物の総量、深さの分布、表面の均一性を正確に制御できることです。同時に、それはキャパシタンス効果を減らすために整列技術の開発の目的を実現できます。

一般原理

イオン注入の一般的な原理は何ですか？イオン注入装置は通常、目的の元素のイオンを生成するイオン源、イオンを静電的に高エネルギーまで加速する加速器、イオンが注入される材料であるターゲットに衝突するターゲットチャンバーから構成されます。このように、イオン注入は粒子線の特殊なケースです。それぞれのイオンは通常、1個の原子または分子であるため、ターゲットに注入される実際の物質量は、イオン電流の時間積分値となります。この量は線量と呼ばれる。インプラントから供給される電流は一般的に小さい（マイクロアンペア）ため、妥当な時間内に注入できる線量は小さい。したがって、イオン注入は、化学変化の量が少ない場合に適用されます。

イオンのエネルギー、イオン種、ターゲットの組成によって、固体中へのイオンの浸透深さが決まります。単色エネルギーイオンビームは、一般的に幅広い深さ分布を持ちます。一般的な環境では、イオン範囲は10ナノメートルから1マイクロメートルの間になります。このように、イオン注入は、化学的または構造的変化をターゲットの表面付近で起こしたい場合に特に有効です。イオンは、固体中を移動するにつれて徐々にエネルギーを失います。これは、ターゲット原子との衝突（急激なエネルギー移動を引き起こす）と、電子軌道の重なりによる穏やかな抗力の両方によるもので、これは連続的なプロセスです。ターゲット内でのイオンエネルギーの損失は、ストッピングと呼ばれ、二元衝突近似法を用いてシミュレートすることができます。

産業応用

イオン注入技術は、工業生産の多くの分野で応用されており、中でも金属材料産業と半導体産業が広く利用されている。

* 金属材料の改質

金属材料の改質に応用されるイオン注入は、熱処理や表面コーティング工程で処理された金属材料の表面に一定量とエネルギーのイオンを注入し、材料表面の化学組成、物理構造、相状態を変化させることで、材料の機械的、化学的、物理的特性を変化させることができる。具体的には、イオン注入は、材料の音響特性、光学特性、超伝導特性を変化させ、材料の加工硬度、耐摩耗性、耐食性、耐酸化性を向上させることができる。現在、空気油圧ポンプ、内燃機関精密カップリング、自動車エンジン部品、硬質合金切削工具、大型精密耐摩耗部品などに応用されている。

* 金型の長寿命化

新しい表面強化プロセスとして、イオン注入は様々な材料に適用され、多くの成果を上げています。作業条件が異なるため、同じ材質の金型でも多くの不具合が発生しており、イオン注入プロセスの利点はこれらの不具合を補うことができます。設計者が異なるイオン注入デバイスを使用し、異なる故障形態に応じて選択的に異なる元素を金型に注入する限り、金型の寿命を延ばすという目標を便利に達成することができます。

* 半導体産業

イオン注入装置の開発により、イオン注入技術は集積回路産業で急速に発展しました。イオン注入技術は制御性と再現性に優れているため、設計者は回路やデバイスのパラメータの要件に応じて、理想的な不純物分布を設計することができます。

最新の半導体製造プロセスでは、完全な半導体デバイスを製造するために、通常、多くの工程（15～25工程）を経てイオン注入が行われます。イオン注入の主なプロセスパラメータは、不純物の種類、注入エネルギー、ドーピング量である。不純物の種類は n 型と p 型に分けられる。注入エネルギーは、シリコンに注入される不純物原子の深さを決定し、高エネルギーは深く注入され、低エネルギーは軽く注入されます。ドーピングとは不純物原子の濃度を指し、ドーピング層の導電性を決定する。半導体技術の進歩に伴い、特に65nm以下の半導体デバイスを製造する場合、極浅接合のプロセスが鍵となる。イオン注入プロセスは、その正確な注入深さと濃度の制御性、安定した再現性により、先端半導体デバイスの製造において再びその重要性を示しています。

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