이온 주입
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1. 개요
이온 주입은 원하는 원소를 이온화하여 고체 표면에 주입하는 기술이다. 이온원, 가속기, 표적 챔버로 구성되며, 입자 방사선의 일종으로 간주된다. 10~500 keV 범위의 에너지를 사용하며, 이온의 종류와 표적의 조성에 따라 침투 깊이가 결정된다. 이온 주입 장치는 고전류, 중전류, 고에너지 장치로 분류되며, 반도체 도핑, 금속 표면 처리, 나노입자 형성 등 다양한 분야에 활용된다. 이온 주입은 결정학적 손상, 스퍼터링, 이온 채널링 등의 문제점을 야기하며, 유해 물질 사용 및 고전압, 방사선 노출과 같은 안전 문제도 존재한다.
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| 이온 주입 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 기술 분야 | 반도체 공학 |
| 사용 분야 | 반도체 소자 제조 재료 과학 금속 공학 |
| 특징 | 재료 표면의 화학적, 전기적, 구조적 특성 변경 고체 상태에서 이온을 재료에 삽입 |
| 용도 | 반도체 도핑 이온 빔 혼합 이온 빔 보조 증착 박막 재료 개질 |
| 작동 원리 | |
| 이온 발생 | 이온 소스에서 이온 생성 |
| 이온 가속 | 가속 전압을 사용하여 이온을 높은 속도로 가속 |
| 타겟 재료에 조사 | 가속된 이온을 타겟 재료 표면에 조사 |
| 상호 작용 | 이온이 타겟 재료와 충돌하면서 에너지 전달 및 화학적 변화 유도 |
| 화학 변화 | 주입된 이온이 재료의 화학적 특성 변화 유도 |
| 전기적 변화 | 주입된 이온이 재료의 전기적 특성 변화 유도 |
| 구조적 변화 | 주입된 이온이 재료의 결정 구조 변화 유도 |
| 공정 변수 | |
| 이온 종류 | 도핑하려는 원소에 따라 선택 |
| 이온 에너지 | 주입 깊이 및 재료 손상 정도 결정 |
| 이온 투입량 | 재료에 주입되는 이온의 양 조절 |
| 기판 온도 | 재료 특성 및 주입 효과에 영향 |
| 주입 각도 | 이온 주입 프로파일 조절 |
| 마스크 | 특정 영역에만 이온 주입하기 위해 사용 |
| 장비 | |
| 이온 소스 | 이온을 생성하는 장치 |
| 가속 장치 | 이온을 가속시키는 장치 |
| 이온 빔 이송 시스템 | 가속된 이온을 타겟 재료까지 이송 |
| 타겟 챔버 | 타겟 재료를 넣는 진공 챔버 |
| 스캐닝 시스템 | 이온 빔을 타겟 재료 전체에 조사 |
| 모니터링 및 제어 시스템 | 이온 빔 및 공정 변수 모니터링 및 제어 |
| 이온 주입의 장점 | |
| 정밀한 도핑 제어 | 원하는 깊이와 농도로 도핑 가능 |
| 낮은 온도 공정 | 재료의 손상을 최소화하면서 공정 진행 가능 |
| 넓은 범위의 이온 사용 | 다양한 원소의 이온을 주입하여 재료 특성 변경 가능 |
| 공정 반복성 | 정밀한 공정 제어를 통해 재현성 있는 결과 확보 가능 |
| 이온 주입의 단점 | |
| 재료 손상 | 이온 주입 시 재료 격자 구조 손상 발생 가능 |
| 채널링 효과 | 이온이 결정 구조를 따라 깊게 침투하는 현상 발생 가능 |
| 어닐링 공정 필요 | 손상된 결정 구조를 회복하기 위해 열처리 과정 필요 |
| 높은 장비 비용 | 이온 주입 장비 구축 및 유지 보수에 높은 비용 발생 |
| 제한적인 주입 깊이 | 주입 깊이에 한계가 있어 깊은 영역의 도핑은 어려움 |
| 관련 기술 | |
| 이온 빔 혼합 | 이온 주입과 동시에 박막 재료를 섞는 기술 |
| 이온 빔 보조 증착 | 이온 빔을 이용하여 박막 증착을 보조하는 기술 |
| 플라즈마 침투 | 플라즈마를 이용하여 이온을 재료 표면에 침투시키는 기술 |
| 레이저 도핑 | 레이저를 이용하여 도핑을 하는 기술 |
| 활용 분야 | |
| 반도체 산업 | 반도체 소자 제조 공정에서 도핑에 필수적 |
| 재료 과학 | 재료 특성 개질 및 표면 처리 연구에 사용 |
| 금속 공학 | 금속 표면 경화 및 내마모성 향상에 사용 |
| 광학 재료 | 광학 재료의 특성 조절에 사용 |
| 의료 기기 | 의료 기기 표면 개질 및 생체 적합성 향상에 사용 |
| 항공 우주 산업 | 항공 우주 부품의 내구성 향상에 사용 |
| 이온 주입의 역사 | |
| 초기 연구 | 1950년대부터 연구 시작 |
| 반도체 산업 도입 | 1960년대 후반부터 반도체 제조 공정에 도입 |
| 기술 발전 | 1970년대 이후 급속한 기술 발전 |
| 응용 분야 확대 | 1980년대 이후 다양한 산업 분야로 응용 확대 |
| 현재 | 나노 기술 및 첨단 산업 분야에서 핵심 기술로 활용 |
| 안전 | |
| 방사능 위험 | 이온 빔에 의한 방사선 노출 가능성 존재 |
| 진공 환경 | 이온 주입 장비는 진공 환경에서 작동 |
| 장비 안전 | 이온 주입 장비 작동 시 안전 수칙 준수 필요 |
| 환경 규제 | 폐기물 처리 및 환경 오염에 대한 규제 준수 필요 |
| 같이 보기 | |
| 관련 항목 | 도핑 이온 빔 박막 반도체 금속 재료 과학 플라즈마 |
2. 일반 원리
이온 주입 장비는 일반적으로 다음 요소들로 구성된다.[1]
이온 주입은 입자 방사선의 특수한 경우이다. 각 이온은 보통 단일 원자 또는 분자이며, 표적에 주입되는 물질의 양은 이온 전류를 시간에 대해 적분한 값인 "도즈(dose)"로 나타낸다. 이온 주입 장치에서 공급되는 전류는 일반적으로 수십 μA(마이크로암페어) 정도로 작기 때문에, 합리적인 시간 안에 주입할 수 있는 도즈는 제한적이다. 따라서 이온 주입은 필요한 화학적 변화량이 적은 경우에 주로 응용된다.
일반적인 이온 에너지는 10~500 keV (1,600~80,000 aJ) 범위이다. 1~10 keV (160~1,600 aJ) 범위의 에너지를 사용할 수도 있지만, 이 경우 이온의 침투 깊이는 수 nm 이하로 매우 얕아진다. 이보다 낮은 에너지는 표적에 거의 손상을 주지 않으며, 이온빔 증착으로 분류된다. 5 MeV (800,000 aJ) 이상의 더 높은 에너지도 사용할 수 있지만, 이 경우 표적에 심각한 구조적 손상이 발생할 수 있다. 또한, 깊이 분포가 넓어져(브래그 피크) 표적 내 특정 지점에서의 조성 변화는 작아진다.
이온의 에너지뿐만 아니라 이온의 종류와 표적의 조성은 이온의 침투 깊이(이온 범위)를 결정한다. 단색 이온 빔은 일반적으로 넓은 깊이 분포를 가지며, 평균 침투 깊이는 10 nm에서 1 μm 사이이다. 따라서 이온 주입은 화학적 또는 구조적 변화가 표적 표면 근처에 필요한 경우에 특히 유용하다. 이온은 고체를 통과하면서 표적 원자와의 간헐적인 충돌(급격한 에너지 전달)과 전자 궤도 중첩에 의한 약한 항력(연속적인 과정)을 통해 점차 에너지를 잃는다. 표적에서 이온 에너지 손실은 정지라고 하며, 이진 충돌 근사 방법으로 시뮬레이션할 수 있다.
이온 주입을 위한 가속기 시스템은 일반적으로 다음과 같이 분류된다.[1][2][3]
| 분류 | 이온 빔 전류 | 이온 에너지 | 주입량 (dose) |
|---|---|---|---|
| 중간 전류 | 10 μA ~ 2 mA | ||
| 고전류 | ~ 30 mA | ||
| 고에너지 | 200 keV ~ 10 MeV | ||
| 매우 높은 용량 | > 1016 ions/cm2 |
2. 1. 이온원
이온 주입 빔라인의 첫 번째 주요 부분은 이온 종을 생성하는 이온 소스를 포함한다. 이온 소스는 높은 녹는점을 가진 재료로 만들어지는데, 종종 텅스텐, 란탄 산화물이 도핑된 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등이 사용된다.[4] 이온 소스 내부에는 두 개의 텅스텐 전극(반사경) 사이에 플라즈마가 생성되며, 사용되는 기체는 주입될 이온을 포함하는 불소 기반 기체인 경우가 많다. 예를 들어, 삼불화붕소,[5] 이불화붕소,[6] 사불화게르마늄 또는 사불화규소 등이 있다.[7] 비소 또는 인을 주입하기 위해서는 비소화수소 기체 또는 인화수소 기체를 이온 소스에서 사용할 수 있다.[8]이산화탄소와 같은 산소 또는 산화물 기반 기체는 탄소와 같은 이온에도 사용할 수 있다. 할로겐 사이클로 인한 텅스텐 구성 요소의 열화를 지연시키기 위해 제논, 크립톤 또는 아르곤을 포함한 수소 또는 수소를 플라즈마에 첨가할 수 있다.[10][12][13]
알루미늄과 같은 일부 도펀트는 기체 형태가 아닌 요오드화알루미늄 또는 염화알루미늄과 같이 근처 도가니에서 기화되는 염소 또는 요오드 기반 고체 화합물 형태로 제공되기도 한다.[14] 안티몬 주입의 경우, 종종 이온 소스에 연결된 기화기를 사용해야 하는데, 여기서 삼불화안티몬, 삼산화안티몬 또는 고체 안티몬이 도가니에서 기화되어 운반 기체를 통해 인접한 이온 소스로 보내진다.[6]
도가니는 종종 60~100시간 동안 지속되며, 이온 소스는 종종 300시간 동안 지속될 수 있다.[20]
2. 2. 이온 가속 및 주입
이온 주입 장치는 일반적으로 이온을 생성하는 이온원, 이온을 가속하는 가속기, 그리고 이온이 주입될 재료와 충돌하는 표적 챔버로 구성된다.[1]이온 가속에는 정전기적 방식과 고주파 방식이 사용된다. 일반적인 이온 가속 에너지는 10~500 keV (1,600~80,000 aJ) 범위이며, 최대 수 MeV (800,000 aJ)까지 가속할 수 있다.[2][3] 이온 빔 전류는 일반적으로 수십 μA (마이크로암페어)에서 수십 mA (밀리암페어) 수준이다.[1][2][3] 주입량 (dose)은 이온 전류를 시간에 대해 적분한 값으로, 이온 주입 장치에서 공급되는 전류가 작기 때문에 합리적인 시간 내에 주입할 수 있는 양은 제한적이다.
질량 분석기와 유사한 원리로, 자기장 영역을 통과하는 이온 빔에서 특정 질량-속도/전하 곱 값을 가진 이온만을 선택하여 빔라인을 따라 이동시킨다.[21]
균일한 주입을 위해 빔 스캐닝과 웨이퍼 모션을 조합하여 사용한다. 주입된 표면에서 이온의 누적 전하를 지속적으로 측정하여 원하는 주입량 수준에서 공정을 중지한다.[21]
3. 이온 주입 장치의 분류
원하는 가속 에너지와 주입량 범위에 따라 여러 종류의 이온 주입 장치를 사용해야 한다.
3. 1. 고전류 이온 주입 장치
전계효과 트랜지스터의 소스-드레인 영역과 같이, 고농도의 도펀트 주입이 필요한 영역에 이온 주입하는 데 사용되는 장치이다. 밀리암페어(mA) 단위의 고전류 이온빔을 발생시킬 수 있도록 설계되었다. 일반적으로 저에너지 가속(5 keV 미만) 주입에도 대응할 수 있는 장치 구조이며, 빔라인 길이는 짧다. 최대 가속 에너지는 수십 keV 정도이다.3. 2. 중전류 이온 주입 장치
생성할 수 있는 이온빔 전류는 마이크로암페어(µA) 단위이며, 비교적 저농도의 도펀트를 정밀하게 주입할 때 사용된다. 수 keV에서 수백 keV의 범위에서 이온을 가속할 수 있기 때문에 범용성이 높고, 일반적인 반도체 소자 제조 공정에서 가장 많이 적용되는 공정이다.3. 3. 고에너지 이온 주입 장치
수 MeV까지 이온을 가속할 수 있는 장치로, 주로 깊은 층에 이온을 주입하는 데 사용된다. 대규모 가속 메커니즘을 탑재하고 있으며, 2가 이상의 다가 이온을 사용함으로써 이온을 가속한다. 발생시킬 수 있는 이온빔 전류는 마이크로암페어 수준이다.[1]4. 반도체 제조 응용
반도체 제조 공정에서 이온 주입은 도펀트를 정밀하게 제어하여 반도체의 전기적 특성을 변화시키는 데 핵심적인 역할을 한다.
이온 주입은 MOSFET의 스레숄드 전압을 조정하는 데 사용된다.[2] 또한, SOI 기판 제조를 위한 SIMOX 공정이나, 갈륨비소와 같은 화합물 반도체에서 소자 간 분리(아이솔레이션)에도 활용된다.
이온 주입과 관련된 기술로는 Co-Implantation과 PAI 등이 있다. Co-Implantation은 탄소(C), 질소(N), 불소(F) 등의 원자를 도펀트와 함께 주입하여 열처리 시 도펀트 확산을 억제하는 기술이다. PAI (Pre-Amorphization Implantation)는 게르마늄 등 무거운 이온을 실리콘 기판에 주입하여 표면을 비정질 상태로 만들어 채널링 현상을 억제하고 얕은 접합 형성을 가능하게 한다.
4. 1. 도핑
붕소, 인, 비소 등의 도펀트를 반도체에 주입하여 p형 또는 n형 반도체의 양공이나 전자를 생성함으로써 전도성을 제어할 수 있다. 이 방법은 MOSFET의 스레숄드 전압을 조정하는 데 사용된다.[2]이온 주입은 1970년대 후반, 1980년대 초 광발전 기기들의 p-n 접합을 만드는 한 방식으로 개발되었으며,[49] 고속 어닐링을 위한 펄스용 전자빔 이용과 함께한다.[50] 그러나 상업 생산용으로는 오늘날까지 사용되지 않고 있으며, 대신 열 확산 도핑이 사용된다.[34]
도핑에 사용되는 에너지는 종종 1 keV에서 3 MeV까지 다양하며, 물리적 제한으로 인해 모든 에너지에서 이온을 제공할 수 있는 이온 주입기를 구축하는 것은 불가능하다. 이온 주입기의 처리량을 높이기 위해 이온 주입기가 생성하는 빔의 전류를 증가시키려는 노력이 이루어져 왔다.[2]
반도체가 실리콘인 경우, 도펀트로는 일반적으로 붕소, 인, 비소가 사용된다. 도펀트 원자인 붕소는 삼불화붕소(BF3) 가스, 인은 포스핀(PH3) 가스, 비소는 알신(AsH3) 가스가 일반적으로 사용되며, 수 keV에서 MeV급의 에너지로 가속된다. 이들은 부식성, 발화성, 치사성이 높은 등 위험한 가스이다. 도펀트가 주입됨으로써 반도체 내에 과잉 캐리어로서 전자 또는 정공이 생성되어 반도체의 전도성을 변화시킨다. 막 주입된 이온은 반도체 원자의 결정에 정렬되지 않아 비활성이며, 결정격자에도 격자결함이 발생하므로 복구할 필요가 있다. 따라서 주입 후에는 가열에 의해 결정격자를 정렬하기 위해 어닐링 처리를 한다. 반도체 공정 중 트랜지스터 형성 등의 얕은 주입 후에는 열 확산을 방지하기 위해 열선 조사에 의한 단시간 가열을 하는 급속 열 어닐링(Rapid thermal anneal, RTA) 처리가 이루어진다.[48]
4. 2. Co-Implantation
도판트 원자와 함께 탄소(C), 질소(N), 불소(F) 등의 원자를 주입하면 열처리 시 도판트의 확산이 억제되는 효과를 얻을 수 있다. 얕은 접합을 형성하기 위해 사용되는 경우가 있다.4. 3. PAI (Pre-Amorphization Implantation)
게르마늄 등 무거운 이온을 실리콘 기판에 주입하여 기판 표면을 비정질 상태로 만든다. 이를 통해 도펀트 주입 시 채널링 현상을 억제하여 얕은 접합을 형성할 수 있다.4. 4. SOI (Silicon on Insulator)
SIMOX(Separation by IMplanted OXygen) 공정은 기존의 실리콘 기판으로부터 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 제조하는 주요 방법 중 하나이다. 이 공정에서는 고선량의 산소 이온을 실리콘 기판에 주입하고, 고온 열처리 공정을 통해 주입된 산소를 실리콘 산화물로 변환시킨다.[1]고에너지, 고농도로 산소를 실리콘 기판에 주입한 후 열처리하면 실리콘 기판 내부에 실리콘 산화물 층이 형성된다. 실리콘 산화물은 절연체이므로 SOI 구조가 만들어진다.[1]
4. 5. 소자 분리 (아이솔레이션)
갈륨비소 등 화합물 반도체에서는 소자 간 분리(아이솔레이션)에 이온 주입을 사용하기도 한다. 이온 주입은 에피 구조를 파괴하고, 도펀트가 밴드갭 내 깊은 준위를 형성해 고저항을 띠게 한다.5. 기타 응용
이온 주입 기술은 반도체 제조 공정뿐만 아니라 금속 표면 처리, 의료기기 제작, 이온빔 혼합, 나노입자 형성 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.
=== 금속 표면 처리 ===
드릴 비트와 같은 공구강 표면에 질소나 다른 이온을 주입하여 표면 압축을 생성, 균열 전파를 막고 재료의 파괴 저항성을 높일 수 있다.[1] 또한, 화학적 변화를 통해 공구의 내식성을 향상시킬 수 있다.[1]
인공 관절과 같은 의료기기에는 마찰에 의한 마모와 화학적 부식에 강한 표면이 필요한데, 이온 주입을 통해 표면을 개선하여 안정적인 성능을 확보할 수 있다.[1] 이때 표면 압축으로 균열 전파를 방지하고, 표면 합금으로 부식에 대한 내화학성을 높이는 두 가지 방법을 사용한다.[1]
=== 이온빔 혼합 (Ion Beam Mixing) ===
이온 주입은 이온빔 혼합에도 사용될 수 있다. 이온빔 혼합은 서로 다른 원소의 원자를 계면에서 혼합하는 기술이다. 이는 기울기 계면을 만들거나 섞이지 않는 재료 층 사이의 접착력을 강화하는 데 유용하다.[1]
=== 이온 주입 유도 나노입자 형성 ===
사파이어나 실리카와 같은 유전체에 이온을 주입하여 나노입자를 형성하는 기술은 광전자 공학 및 비선형 광학 분야에서 유망한 재료를 만드는 방법으로 주목받고 있다.[51][42] 이온 주입으로 형성되는 나노입자는 주입된 이온의 석출, 주입된 이온과 기판의 반응, 또는 기판의 환원 등 다양한 메커니즘을 통해 생성될 수 있다.[35][36][37]
이온 주입 유도 나노입자 형성에 영향을 미치는 주요 변수는 다음과 같다.
- 주입 이온: 나노입자를 구성하는 주 원소 (예: Co, Mg, Sn, Zn, Zr, Ag, Au, Fe, Ni, Si, Ti, Ca, Y)
- 기질: 이온이 주입되는 물질 (예: Al2O3 (사파이어), SiO2 (실리카))
- 이온 빔 에너지: 주입되는 이온의 운동 에너지 (일반적으로 50~150 keV 범위)[38][39][40][41][42][43][44][45][46]
- 플루언스: 단위 면적당 주입되는 이온의 수 (일반적으로 1016~1018 ions/cm2 범위)[38][39][40][41][42][43][44][45][46]
- 열처리 조건: 주입 후 추가적인 열처리 온도 및 분위기 (산화, 환원 등)
이러한 변수들을 조절하여 다양한 종류와 크기(1~20 nm)의 나노입자를 형성할 수 있으며, 조성은 주입된 종, 주입된 이온과 기판의 조합, 또는 기판 관련 양이온만으로 구성될 수 있다.
다음 표는 사파이어(Al2O3) 기판에 다양한 이온을 주입하여 나노입자를 형성한 사례를 보여준다.
5. 1. 금속 표면 처리
드릴 비트와 같은 공구강 표면에 질소나 다른 이온을 주입할 수 있다. 이온 주입으로 발생하는 구조적 변화는 강에 표면 압축을 생성하여 균열 전파를 막고 재료의 파괴 저항성을 높인다.[1] 화학적 변화는 공구의 내식성을 향상시킬 수도 있다.[1]인공 관절과 같은 일부 의료기기에서는 마찰에 의한 마모와 화학적 부식에 매우 강한 표면이 필요하다. 이러한 경우, 더욱 안정적인 성능을 위해 이온 주입을 사용하여 기기 표면을 개선한다.[1] 이온 주입에 의한 표면 변형에는 균열 전파를 방지하는 표면 압축과 표면을 합금하여 부식에 대한 내화학성을 높이는 두 가지 방법이 있다.[1]
5. 2. 이온빔 혼합 (Ion Beam Mixing)
이온 주입은 이온빔 혼합을 달성하는데 사용될 수 있다. 이온빔 혼합은 계면에서 서로 다른 원소의 원자를 혼합하는 것이다. 이는 기울기 계면을 달성하거나 섞이지 않는 재료의 층 사이의 접착력을 강화하는 데 유용할 수 있다.[1]5. 3. 이온 주입 유도 나노입자 형성
사파이어나 실리카와 같은 유전체에 이온을 주입하여 나노입자를 형성하는 기술은 광전자 공학 및 비선형 광학 분야에서 유망한 재료를 만드는 방법으로 주목받고 있다.[51][42] 이온 주입을 통해 형성되는 나노입자는 주입된 이온의 석출, 주입된 이온과 기판의 반응, 또는 기판의 환원 등 다양한 메커니즘을 통해 생성될 수 있다.[35][36][37]이온 주입 유도 나노입자 형성에 영향을 미치는 주요 변수는 다음과 같다.
- 주입 이온: 나노입자를 구성하는 주 원소 (예: Co, Mg, Sn, Zn, Zr, Ag, Au, Fe, Ni, Si, Ti, Ca, Y)
- 기질: 이온이 주입되는 물질 (예: Al2O3 (사파이어), SiO2 (실리카))
- 이온 빔 에너지: 주입되는 이온의 운동 에너지 (일반적으로 50~150 keV 범위)[38][39][40][41][42][43][44][45][46]
- 플루언스: 단위 면적당 주입되는 이온의 수 (일반적으로 1016~1018 ions/cm2 범위)[38][39][40][41][42][43][44][45][46]
- 열처리 조건: 주입 후 추가적인 열처리 온도 및 분위기 (산화, 환원 등)
이러한 변수들을 조절하여 다양한 종류와 크기(1~20 nm)의 나노입자를 형성할 수 있으며, 조성은 주입된 종, 주입된 이온과 기판의 조합, 또는 기판 관련 양이온만으로 구성될 수 있다.
다음 표는 사파이어(Al2O3) 기판에 다양한 이온을 주입하여 나노입자를 형성한 사례를 보여준다.
6. 이온 주입의 문제점
이온 주입은 여러 가지 문제점을 야기할 수 있다.
이온이 표적 결정에 충돌하면서 많은 점결함(공공, 격자간 원자)을 생성한다. 공공은 원자가 차지해야 할 결정 격자점이 비어있는 상태이며, 격자간 원자는 원자가 격자 사이의 빈 공간에 자리 잡지 못하고 존재하는 경우이다. 이러한 점결함은 이동하고 응집되어 전위 고리 등 더 큰 결함을 만들 수 있다.[1] 이온 주입으로 인한 결정 구조 손상은 종종 바람직하지 않으므로, 열처리 (어닐링)를 통해 손상을 복구하는 과정이 필요하다. 결정학적 손상이 심하면 표면이 비정질화될 수 있는데, 경우에 따라서는 결함이 많은 결정보다 비정질화가 더 바람직할 수 있다. 비정질화된 박막은 손상된 결정을 어닐링하는 것보다 낮은 온도에서 재성장시킬 수 있다.
이온 충돌로 인해 원자가 표면에서 방출되는 스퍼터링 현상이 발생하여 표면이 서서히 식각될 수 있다. 이 효과는 매우 큰 용량에서만 두드러진다.[4]
결정 구조, 특히 반도체 기판에서 특정 결정학적 방향은 다른 방향보다 이온의 이동을 더 쉽게 만든다. 예를 들어 실리콘 등 다이아몬드 입방 재료의 ⟨110⟩ 방향을 따라 이온이 정확하게 이동하면 이온의 범위가 훨씬 길어지는 ''이온 채널링'' 현상이 발생할 수 있다.[47] 이 현상은 매우 비선형적이어서 완벽한 방향에서 약간만 벗어나도 이온 주입 깊이에 큰 차이를 만들 수 있다. 따라서 대부분의 이온 주입은 미세한 정렬 오류가 예측 가능한 영향을 미치도록 축에서 약간 벗어난 각도로 수행된다. 이온 채널링은 러더퍼드 후방 산란 등 분석 기술에서 결정질 박막 재료의 손상량과 깊이 프로파일을 결정하는 데 사용될 수 있다.
6. 1. 결정학적 손상
각 이온은 충격 시 표적 결정 내에 많은 점결함(공공, 격자간 원자)을 생성한다. 공공은 원자가 차지하지 않은 결정 격자점이다. 이 경우 이온이 표적 원자와 충돌하여 상당한 양의 에너지를 표적 원자에 전달하여 결정 위치를 이탈하게 한다. 그러면 이 표적 원자 자체가 고체 내에서 발사체가 되어 연속적인 충돌 사건을 일으킬 수 있다. 격자간 원자는 이러한 원자(또는 원래 이온 자체)가 고체 내에서 정지하지만 격자 내에 자리 잡을 빈 공간을 찾지 못할 때 생성된다. 이러한 점결함은 이동하고 서로 응집되어 전위 고리 및 기타 결함을 생성할 수 있다.[1]6. 2. 손상 복구
이온 주입은 대상 물질의 결정 구조에 손상을 입히는 경우가 많으며, 이는 종종 바람직하지 않다. 따라서 이온 주입 공정 후에는 열처리 (어닐링) 공정이 이어지는 경우가 많은데, 이를 손상 복구라고 할 수 있다.6. 3. 비정질화
결정학적 손상의 양이 표적 표면을 완전히 비정질화시키기에 충분할 수 있다. 즉, 비정질 고체가 될 수 있다(용융물에서 생성된 이러한 고체는 유리라고 한다). 어떤 경우에는 고도로 결함이 있는 결정보다 표적의 완전한 비정질화가 더 바람직하다. 비정질화된 박막은 고도로 손상된 결정을 어닐링하는 데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 재성장될 수 있다. 기판의 비정질화는 빔 손상의 결과로 발생할 수 있다. 예를 들어, 사파이어에 150 keV의 이온빔 에너지와 50P의 플루언스로 이트륨 이온을 주입하면 외표면으로부터 측정한 약 110nm 두께의 비정질 유리층이 생성된다.6. 4. 스퍼터링
일부 충돌 사건은 원자가 표면에서 방출( 스퍼터링)되는 결과를 초래하며, 따라서 이온 주입은 표면을 서서히 식각한다. 이 효과는 매우 큰 용량에 대해서만 눈에 띄게 나타난다.[4]6. 5. 이온 채널링
표적에 결정학적 구조가 있고, 특히 결정 구조가 더 열린 반도체 기판의 경우, 특정 결정학적 방향은 다른 방향보다 훨씬 더 낮은 정지력을 제공한다.[47] 그 결과 이온이 특정 방향, 예를 들어 실리콘 및 기타 다이아몬드 입방 재료의 ⟨110⟩ 방향을 따라 정확하게 이동하는 경우 이온의 범위가 훨씬 길어질 수 있다.[47] 이러한 효과를 ''이온 채널링(ion channelling)''이라고 하며, 모든 채널링 효과와 마찬가지로 완벽한 방향에서 약간의 변화가 이온 주입 깊이에 극단적인 차이를 가져오는 등 매우 비선형적이다. 이러한 이유로 대부분의 이온 주입은 축에서 약간 벗어난 각도로 수행되는데, 이는 미세한 정렬 오류가 더 예측 가능한 영향을 미치기 때문이다.이온 채널링은 러더퍼드 후방 산란 및 관련 기술에서 결정질 박막 재료의 손상량과 깊이 프로파일을 결정하는 분석 방법으로 직접 사용될 수 있다.
7. 안전 문제
이온 주입 공정은 여러 가지 안전 문제를 야기할 수 있다.
반도체 웨이퍼 제작 과정에는 비소화수소(AsH3)와 인화수소(PH3) 같은 유독성 물질과, 안티몬, 비소, 인, 붕소와 같은 발암성, 부식성, 인화성 유독성 원소들이 사용될 수 있다.[1] 이러한 유해 물질은 기계 정비나 진공 펌프 장비에서 잔류물 형태로 발견될 수 있다.[1]
이온 가속기에 사용되는 고전압 전원 공급 장치는 감전의 위험이 있으며, 고에너지 원자 충돌은 X선을 생성하고, 경우에 따라 다른 전리 방사선과 방사성 핵종을 생성할 수 있다.
7. 1. 유해 물질
반도체 웨이퍼 제작 과정에서 이온 주입 공정에는 비소화수소(AsH3)와 인화수소(PH3)와 같은 유독성 물질이 자주 사용된다.[1] 안티몬, 비소, 인, 붕소도 일반적인 발암성, 부식성, 인화성 유독성 원소이다.[1] 반도체 제조 시설은 고도로 자동화되어 있지만, 기계 정비 과정이나 진공 펌프 장비에서 유해 원소 잔류물이 발견될 수 있다.[1]7. 2. 고전압 및 입자 가속기
이온 가속기에 사용되는 고전압 전원 공급 장치는 감전의 위험을 초래할 수 있다. 또한, 고에너지 원자 충돌은 X선을 생성하고, 경우에 따라 다른 전리 방사선과 방사성 핵종을 생성할 수 있다. 고전압 외에도, 입자 가속기 (예: 고주파 선형 입자 가속기, 레이저 웨이크필드 플라즈마 가속기)는 다른 위험을 초래한다.참조
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