Ionimplantationen

Ionimplantationen ist ein Verfahren, bei dem geladene Ionen durch Beschleunigung in ein Festkörperziel injiziert werden, um Zusammensetzung, Struktur oder Oberflächeneigenschaften zu verändern. In der Halbleitertechnik dient es vor allem der Dotierung von Silizium; es wird aber auch zur Oberflächenmodifikation von Metallen, Glas und keramischen Materialien eingesetzt. Beim Eindringen stoßen die Ionen Atome aus dem Kristallgitter heraus und setzen sich in der Zielmatrix fest, wodurch Defekte entstehen. Eindringtiefe und Dotierprofil hängen von Ionensorte, Energie und Dosis ab; Kanalisierung kann die Verteilung beeinflussen.

Typische Energien reichen von keV bis MeV, Dosen von 10^11 bis 10^17 Ionen/cm^2. Tiefe Profile reichen von wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. Nach der Implantation entstehen Gitterdefekte; der Dotant ist oft nicht sofort aktiv, daher erfolgt eine thermische Nachbehandlung, um Defekte zu heilen und den Dotanten zu aktivieren. Hohe Dosen können amorphisieren.

Der Prozess umfasst Substratvorbereitung, Auswahl der Ionenart, Massenselektion, Beschleunigung und Beschuss des Strahls in einer Vakuumkammer, wobei der Wafer bewegt wird, um das Profil zu steuern. Parameter wie Dosis, Energie und Temperatur werden präzise eingestellt. Schutzschichten kommen oft zum Einsatz. Nach dem Implantieren folgt eine Wärmebehandlung (z. B. Rapid Thermal Annealing) zur Aktivierung und Reparatur des Gitters.

Ionimplantationen wird in der Elektronik zur Herstellung von pn-Übergängen und Diodenstrukturen verwendet; außerhalb der Halbleitertechnik dient sie der Oberflächenhärtung, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie der Anpassung optischer oder magnetischer Eigenschaften.

Herausforderungen sind Lattice-Damage, Kanalisierung, Aktivierung versus Diffusion während der Nachbehandlung, Kosten, Strahlenschutz und Prozesskontrolle. Die Wahl von Energie, Dosis, Dotant und Temperatur bestimmt Profil und Eigenschaften des Zielmaterials.