DE2624859C2 - Verfahren zur Herstellung elektrisch leitetider Schichten in isolierenden Materialien mittels indirekter Implantation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem beispielsweise in Gläsern, keramischen Werkstoffen und Kunstharzen elektrisch leitende Schichten in der Nähe der Oberfläche erzeugt werden können. Solche leitenden Schichten auf isolierendem Material werden unter anderem benötigt zur Vermeidung statischer Aufladung, zur Einstellung bestimmter Potentialverteilungen, zur Spannungsbegrenzung oder als Kontaktgeber für galvanische Abscheidungen. Es ist bekannt, daß man die elektrischen Eigenschaften fester Körper in oberflächennahen Gebieten durch Ionenimplantation verändern kann. Bei manchen Materialien ist es möglich, Fremdatome in so hoher Konzentration zu implantieren, daß eine chemische Verbindung entsteht (W. Rothemund.C.R. Fritzsche.J.EIectrochem. Soc. 121, 586 [1974]), oder daß die implantierten Atome selbst eine metallisch leitende Schicht bilden (H. Kräutle, S. Kalbitzer, Intern. Conf. Ion Im= plantation, Yorktown Heights [1972)). Die Erfindung befaßt sich mit der Ausnutzung dieser beiden Möglichkeiten zur Herstellung leitender Schichten in Isolatoren. Ihr eigentlicher Gegenstand sind jedoch nicht die implantierten Schichten selbst, sondern Verfahren, mit denen man trotz der im folgenden beschriebenen Schwierigkeiten die Idee der Implantation leitender Schichten technisch realisieren kann.

Schwierigkeiten entstehen, sobald die zu implantierende Fläche größer ist als etwa 100 cm¹. Erstens müssen, wenn das mit Ionen zu beschießende Material (Target) kein elektrischer Leiter oder Halbleiter ist, Maßnahmen zum Abführen oder Neutralisieren der von den Ionen transportierten Ladung getroffen werden. Zweitens wächst die zur Implantation, erforderliche Zeit mit dem Quadrat des Durchmessen, der zu implantierenden Fläche. Da nun einerseits der lonenstrom sowohl wegen der Eigenschaften der Ionenquellen als auch wegen der Erwärmung des Targets klein ist, andererseits zur Erzeugung einer leitenden Schicht eine hohe Dosis erforderlich ist, kann das Verfahren mit zunehmender Größe der zu bearbeitenden

¹S Targets sehr schnell unwirtschaftlich werden. Eine weitere Schwierigkeit kann, z. B. bei Gläsern, dadurch entstehen, daß die einfallenden Ionen das Target und somit auch das Implantat durch den Sputter-Effekt teilweise abtragen. Hierdurch wird der Konzentration der implantierten Ionen eine obere Grenze gesetzt, die so niedrig sein kann, daß keine elektrisch leitende Schicht mehr gebildet wird.

Erfindungsgemäß werden die beiden erstgenannten Schwierigkeiten - Aufladung und unwirtschaftlich

*5 lange Implantationszeit - und in einem speziellen Ausführungsbeispiei auch die Schwierigkeit des Sputter-Effektes dadurch umgangen, daß man den Ionenstrahl nicht voll auf das Target auftreffen läßt, sondern teilweise oder ganz dazu benutzt, aus einer anderen Substanz Atome herauszuschlagen, die dann in das eigentliche Target eindringen. Dabei entsteht zwar ein Energieverlust, doch ist bei richtig gewählten Bedingungen die Zahl der aus dem Hilfsmaterial austretenden Atome oder Ionen weitaus größer als die Zahl der eingeschossenen Ionen. Ein ähnliches, als »recoil implantation« bezeichnetes Prinzip der indirekten Implantation ist für den Zweck vorgeschlagen worden, in Halbleiter, auf die eine Deckschicht im Vakuum aufgedampft wurde, p-n-Üuergäng«? mit Zeitgewinn

zu implantieren (O. Christensen, H. L. Bay, Appl. Physics Letters 28, 491 [1976]). Hierbei ist das Substrat ein Halbleiter, so daß das Problem der Aufladung nicht existiert. Die bombardierenden Ionen sind vorzugsweise Edelgase, damit sie beim eventuellen Eindringen in den Halbleiter keine elektrische Wirkung hervorrufen. Die Dosis ist mäßig, so daß weder die Gefahr des Sputterns noch die des Zusammenwachsens des Implantates mit dem aufgedampften Hilfsmaterial besteht. Das Hilfsmaterial steht mit dem Substrat in direktem Kontakt, bildet also mit ihm ein gemeinsames Target. Wegen der geringen Größe des Targets und der leichten Ablösbarkeit der Hilfsschicht bringt der Aufdampfprozeß keine wesentlichen Nachteile mit sich.

Gemäß der Erfindung ist das sekundäre Target (= das Substrat) ein Isolator, so daß zur Vermeidung der Aufladung die aus dem Hilfsmaterial (= primäres Target) austretenden Atome entweder neutral oder von Sekundärelektronen, die aus dem primären Tar-

δο get austreten und das sekundäre Target neutralisieren, begleitet sein müssen. Die bombardierenden Ionen sind vorzugsweise Metall-Ionen, damit sie beim eventuellen Durchdringen des primären Targets im sekundären Target zur metallischen Leitung beitragen können. Primäres und sekundäres Target sind nach Möglichkeit durch Vakuum voneinander getrennt, d. h. nur wenn die gewählte Ion-Target-Kombination zu starkem Sputtern führt, wird das Hilfsmaterial auf-

gedampft, wobei die Trennung von primärem und sekundärem Substrat durch eine leicht ablösbare Zwischenschicht erfolgen kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß wegen der Teilchenvervielfachung im primären Target auch zweiwertige Ionen in dieses eingeschossen werden können. Die notwendige Dosis ist für die gemäß der Erfindung zu erzeugende metallisch leitende Schicht so groß, daß der mit zweiwertigen Ionen erreichbare Strom ohne Teilchenvervielfachung zu niedrig wäre. Die Verwendung zwei- oder mehrwertiger Ionen ist für die Erfindung wichtig, weil ein /i-fach geladenes Teilchen auch die /i-fache Energie mit sich trägt, wodurch die Verwendung von freitragenden Folien als primäres Target möglich wird.

An folgendem Ausführungsbeispiel se; das Verfahren erläutert (Bild): In einer Ionenquelle / werden Chrom-Ionen verschiedener Wertigkeit erzeugt. Durch Trennung in einem Magneten M wird erreicht, daß nur die zweiwertigen Ionen die Beschleunigungsstrecke 5 durchlaufen können. Mit einer Energie von 700 keV treffen die Ionen auf eine Aluminium-Folie F von 0,75 μπι Dicke. In dieser Folie übertragen die Chrom-Ionen ihre Energie auf die leichteren Aluminiumatome und auf Elektronen. Aus der Folie treten neutrale Aluminiumatome, AP-Ionen und negativ geladene Elektronen aus und treffen auf das sekundäre Target T. Da für den Zweck, für den die Erfindung vorgesehen ist, das Target großflächig ist, wird es mechanisch gegen den Ionenstrahl bewegt, damit die gesamte zu implantierende Fläche von Ionen getroffen wird. Die Bewegungsvorrichtung sowie Vorrichtungen zur gleichmäßigen Bestrahlung der Folie sind in der Technik der Ionenimplantation allgemein bekannt und daher zur Vereinfachung in der Zeichnung nicht angedeutet. Wesentlich ist nur, daß auch bei Targetflächen von mehreren hundert cm² die Räche der Folie nur wenige cm² groß zu sein braucht.

Die Bewegung des Targets ermöglicht es, statt einer freitragenden Folie eine solche zu verwenden, die auf ein Netz aufgespannt ist, weil die Schattenwirkung des Netzes in diesem Falle nicht stört. Auf ein Netz aufgespannte Folien können dünner sein und damit die Verwendung der mit größerem Strom anfallenden einwertigen Ionen gestatten. Die hier vorgesehene Trennung von primärem und sekundärem Target hat den Vorteil, daß nicht für jedes mit einer leitenden Schicht zu überziehende Teil das primäre Target aufgedampft und später wieder abgelöst v/erden muß. Jedoch gelten Merkmale der Erfindung auch für den Fall, daß das primäre Target auf das sekundäre Target aufgedampft oder aufgesputtert wird. In jedem Falle

ίο wird die Aufladung des Targets vermieden, die Verwendung mehrwertiger Ionen auch bei hoher Dosis ermöglicht und die Implantationszeit verkürzt. Die Bedampfung des sekundären Targets kann mit Vorteil angewandt werden, wenn Materialien verarbeitet

'S werden sollen, die bei der hohen Dosis merklich durch Sputtern abgetragen werden. Dies kann beispielsweise bei Gläsern der Fall sein. Hier läßt sich auch leicht ein Verwachsen des Implantates mit dem primären Target vermeiden, indem man vor dem Aufdampfen

ao des Metalls das Glas mit einer Lacnichicht überzieht. Dann kann nach der Implantation das Nietall mit einer Säure, der Lack mit einem organischen Lösungsmittel abgetragen werden, ohne daß die in das Glas implantierte Schicht verletzt wird.

*5 Stat: Aluminium kann auch jedes andere Metall als primäres Target verwendet werden, doch sind Metalle mit niedrigem Atomgewicht, etwa kleiner als 110, zu bevorzugen. Wenn die Herstellung von Folien aus elementarem Metall schwierig ist, oder wenn mehrere Atomarten gleichzeitig implantiert werden sollen, kann das primäre Target auch eine Legierung sein. Soll mittels leichter Elemente eine besonders große Eindringtiefe erzielt werden, so können z. B. Beryllium oder Magnesium aus Cu₁Be₅,- oder Mg^ Al₁-Le-

gierungen herausgeschossen werden.

Zur Bombardierung des primären Targets können außer Cr auch alle anderen Ionenarten verwendet werden, nur soll ihr Atomgewicht nicht niedriger sein als das des primären Targets. Metallionen sollen verwendet werden, wenn das primäre Target so dünn oder porös ist, daß es diese in merklichen Mengen, z. B. mehr als 1%, durchläßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung leitender Schichten in Isolatoren mittels indirekter Implantation, dadurch gekennzeichnet, daß Atome, die die Leitfähigkeit erzeugen oder zu ihr beitragen, durch Ionenstoß aus einer Folie herausgeschlagen und in das zu bearbeitende isolierende Material eingeschossen werden.

2. Verfahren zur Herstellung leitender Schichten in Isolatoren mittels indirekter Implantation, dadurch gekennzeichnet, daß Atome, die die Leitfähigkeit erzeugen oder zu ihr beitragen, durch Ionenstoß aus einer mit dem zu bearbeitenden isolierenden Material fest verbundenen Schicht herausgeschlagen und in dieses eingeschossen werden.

3. Verfahren nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, &ä& das stoßende Ion ein Metall-Ion ist, welches die Folie oder die auf das zu bearbeitende Material aufgebrachte Schicht durchdringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßenden Ionen vor dem Stoß zweifach oder mehrfach geladen sind.

5. Verfahren nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie oder die auf das zu bearbeitende Material, aufgebrachte Schicht eines der Elemente Beryllium, Magnesium, Aluminium oder Kupfer enthält oder aus einem dieser Elemente hergestellt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht, aus der die Atome in das Substrat übertragen wf den, vom Subtrat durch eine Zwischenschicht getrennt ist, die in einem Medium löslich ist, in dem weder das Substrat noch die implantierten Atome löslich sind.