「イオン注入」の版間の差分

'''イオン注入'''（イオンちゅうにゅう、{{Lang-en|ion implantation}}）は、[[物質]]の[[イオン]]を[[固体]]材料に注入する加工方法である。イオン注入はし、固体材料の特物性を変化させる点で[[材料工学]]に属し、[[工業]]的には[[半導体]]の生産に使用され、[[金属]]の[[表面処理]]など様々な[[ | 材料科学]]の研究などが行われている。イオン注入は、対象の物質と別の[[元素]]を注入することにより、物質に化学的変化を与えると同時に、物質の破損または破壊など、構造的な変化も与え手法である。

一般的なイオン注入装置は、目的とする打ち込む元素のイオンを発生させるイオン源、必要なイオンだけを取り出選別する質量分析器機構、イオンを電気的に加速する加速器、対象物であるターゲットを高真空状態とで保持するチャンバーから構成される。イオンは単一の元素が使われる。このため、ドーズ量と呼ばれる注入された物質の総量は、イオン電流の時間積分で与えられる。イオン注入によって与えられる電流は、μ[[アンペア|A]]程度で表されあるほど小さい。

一般的なイオンの加速エネルギーは10-500k[[電子ボルト|eV]]（1,600-80,000aJ）の範囲で使用される。1-10keVの範囲でも使用することは可能だが、イオンが表面近くの数[[ナノメートル|nm]]程度のところで停止するため実用的ではない。さらに対象物の損傷を小さくする場合は、イオンビーム成長が用いられる。また、通常の加速器ではさらに高い5MeV程度の加速エネルギーまで印加可能であるが、対象の損傷が大きく、また、深さ方向の分布も広がるため、実効的な変化量加速エネルギーの使用範囲は小さくな500k[[電子ボルト|eV]]程度が上限である。

打ち込まれたイオンはイオンと対象物の元素の種別類の他に、加速器で与えられる運動エネルギーと対象物質と衝突散乱による運動量の喪失によってその飛程、つまり浸透して停止する深さが決まり、そのバラツキはほぼ[[ガウス分布]]に従う。イオンは対象物の原子との衝突、および電子軌道のオーバーラップによる効力などにより次第にエネルギーを失っていく。多くの場合、注入深さは10nmから1μm程度である。対象物の結晶原子の配列方向が打ち込み方向と同一の場合には、原子の間をトンネルのようにすり抜けるものが出るため、深さの制御が難しくなる。これを避けるため結晶方向からは少し傾けて打ち込まれる。イオン注入は対象物の表面付近で化学組成変化・構造変化が求められる場合に特に有効である。

イオン注入が最も一般的によく利用いらされるのは、半導体中への[[ドーパント]]注入である。半導体がシリコンの場合、ドーパントとしては普通[[ボロン]]、[[リン]]、[[砒素]]など純度の高が用いドーパント原子であり、らる。ドーパント原子のボロンは[[三フッ化ホウ素]]（BF₃）ガス、リンは[[ホスフィン]]（PH₃）ガス、砒素は[[アルシン]]（AsH₃）ガスが一般的に使われ、数KeVからMeV級のエネルギーで加速する。これらは腐食性や発火性、致死性が高いなど危険なガスである。ドーパントが注入されることにより、半導体中に過剰キャリアとして[[電子]]または[[正孔]]を作りが生成され、半導体の伝導性を変化させる。打ち込まれたばかりのイオンは半導体原子の結晶に並ばないため不活性であり、結晶格子も[[格子欠陥]]が生じるため修復する必要がある。このため注入後は加熱によって結晶格子を整えるためにアニール処理を行なう。半導体のプロセス中のトランジスタ形成などの浅い打ち込み後には、熱[[拡散]]させないように熱線の照射による短時間加熱を行う[[ラピッド・サーマル・アニール]]（Rapid thermal anneal, RTA）処理が行われる<ref>{{Cite book|和書|author = 「半導体LSIのできるまで」編集委員会編著|editor = |title = よくわかる半導体LSIのできるまで|edition = 改訂第2版|origyear = |year = 2004|publisher = [[日刊工業新聞社]]|isbn = 4-526-05375-9|page = }}</ref>。