Implantation ionique

L'implantation ionique est un procédé d'ingénierie des matériaux. Comme son nom l'indique, il est utilisé pour implanter les ions d'un matériau dans un autre solide, changeant de ce fait les propriétés physiques de ce solide. L'implantation ionique est utilisée dans la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs, pour le traitement de surface des métaux, ainsi que pour la recherche en science des matériaux. Les ions permettent à la fois de changer les propriétés chimiques de la cible, mais également les propriétés structurelles car la structure cristalline de la cible peut être abîmée ou même détruite.

Principe de fonctionnement

L'implantation ionique avec le séparateur de masse.

Un équipement d'implantation ionique se compose en règle générale d'une source de production d'ions, d'un accélérateur de particules et d'une chambre pour la cible. L'accélérateur utilise les propriétés électrostatiques de l'ion pour augmenter son énergie. La quantité de matériaux implantée, appelée la dose, est l'intégrale sur le temps du courant ionique. Les courants électriques en jeu dans les implanteurs sont de l'ordre du microampère au milliampère. Ils ne permettent donc d'implanter qu'une faible quantité d'ions. C'est la raison principale pour laquelle cette technique n'est utilisée que dans les domaines où la modification qui est recherchée est faible.

L'accélération des ions atteint typiquement des énergies allant de 10 à 500 keV. Toutefois, il est possible de se limiter à des énergies inférieures à 10 keV, mais dans ce cas la pénétration ne dépasse jamais les quelques nanomètres. On trouve également des accélérateurs qui sont capables d'accélérer des ions jusqu'à 5 MeV, mais cela provoque des dégâts structurels importants à la cible. Par ailleurs, étant donnée que la distribution de la profondeur de pénétration est large, le changement de composition en un point donné est relativement faible.

Applications

En microélectronique

L'introduction de dopants dans un semi-conducteur est l'application la plus commune de l'implantation ionique. Les ions utilisés pour le dopage, tels que le bore, le phosphore ou l'arsenic, sont généralement produit à partir d'une source gazeuse, garantissant une grande pureté de la source. Ces gaz ont tendance à être très dangereux. Lorsqu'ils sont implantés dans un semi-conducteur, chaque atome dopant crée un porteur de charge (trou ou électron suivant qu'il s'agit d'un dopant de type p ou n) modifiant ainsi localement la conductivité du semi-conducteur.

La mésotaxie est une méthode dans laquelle on fait croitre une phase cristallographiquement appariée sous la surface du cristal hôte (par opposition à l'épitaxie où la croissance de la phase appariée se fait à la surface du substrat). Dans ce processus, les ions sont implantés dans un matériau à l'aide d'une forte dose et d'une énergie élevée pour créer une seconde phase. La température est alors contrôlée afin que la structure cristalline de la cible ne soit pas détruite. L'orientation cristalline de la couche peut être organisée pour correspondre à celle de la cible, même si la structure cristalline exacte et la constante de réseau peuvent être très différentes. Par exemple, après l'implantation d'ions de nickel dans une plaquette de silicium, une couche de siliciure de nickel peut croître avec une orientation cristalline du siliciure correspondant à celle du silicium.

L'implantation ionique est également une méthode utilisée pour la préparation de substrats de silicium sur isolant (SOI) à partir de substrats de silicium conventionnel. La séparation par implantation d'oxygène (SIMOX) est un processus au cours duquel une forte dose d'oxygène implanté est converti en oxyde de silicium grâce à une forte température de recuit.

En finition métallique

L'azote et d'autres ions peuvent implantés sur un outil en acier (forets, par exemple). Les changements structuraux causés par l'implantation produit une compression de la surface de l'acier qui empêche la propagation des fissures et rend le matériau plus résistant à la rupture. L'implantation modifie chimiquement la surface en formant un alliage qui peut rendre l'outil plus résistant à la corrosion. Pour certaines applications, comme par exemple des prothèses d'articulations, il est souhaitable d'avoir des surfaces très résistantes à la fois à la corrosion chimique et à l'usure due aux frottements. L'implantation ionique peut alors être utilisée pour concevoir les surfaces de tels dispositifs pour de meilleures performances.

Problèmes liés à l'implantation

Dommage cristallographique

Chaque ion produit de nombreux défauts ponctuels dans le cristal cible au moment de l'impact tels que des lacunes ou des atomes intersticiels. Les lacunes sont des points du réseau cristallin non occupés par un atome. Dans ce cas, de la collision entre l'ion et un atome cible résulte le transfert d'une quantité significative d'énergie qui éjecte cet atome cible. Celui-ci devient alors lui-même un projectile dans le solide et peut provoquer d'autres collisions successives. Lorsque cet atome (ou l'ion original lui-même) s'arrête dans le solide sans avoir trouvé de site vacant dans le réseau cristallin, on parle alors d'atome intersticiel. Ces défauts ponctuels peuvent également migrer ou se rassembler avec d'autres, résultant en des boucles de dislocation ou d'autres défauts.

Canalisation ionique

Structure diamant suivant la direction <110> montrnant les canaux ioniques hexagonaux.

Si la cible possède une structure cristallographique, certains directions cristallographiques présentent une distance d'arrêt beaucoup plus faible que d'autres. Il en résulte que la portée d'un ion peut être beaucoup plus grande si l'ion se déplace exactement le long d'une direction particulière comme par exemple la direction <110> dans le silicium et d'autres matériaux avec une structure diamant. Cet effet est appelé canalisation ionique. Il s'agit d'un effet fortement non-linéaire où de petites variations par rapport à l'orientation cristalline se traduit par des écarts importants de profondeur d'implantation. Pour cette raison, la plupart des implantations sont réalisées légèrement désaxées de quelques degrés, où les petites erreurs d'alignement ont des effets plus prévisibles.

L'effet de canalisation ionique peut être directement utilisée pour la rétrodiffusion de Rutherford et les techniques connexes comme une méthode d'analyse pour déterminer la quantité et le profil de profondeur des dommages dans les couches minces cristallines.

Amorphisation

La quantité de défauts générés par l'implantation peut suffire à amorphiser complètement la surface de la cible. Dans certains cas, une amorphisation complète de la cible est préférable à un cristal avec beaucoup de défauts car une nouvelle croissance peut être réalisée sur un film amorphe à une température inférieure à celle requise pour recuire un cristal très endommagé.

Références

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