{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Ion implantation machine at LAAS 0521.jpg|섬네일|250px|프랑스 툴루즈 [[LAAS]] 기술 연구소의 이온 주입 시스템.]]
'''이온 주입'''({{lang|en|ion implantation}})은 특정 원소의 [[이온]]들을 특정 고체 대상에 주입, 가속화시킴으로써 해당 대상의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 변경시키는 저온 가공법이다. 이온 주입은 [[반도체 장치 제조]]와 금속 표면 처리, 그리고 [[재료과학]] 연구에 사용된다. 이 이온들은 (이온들이 대상 물질과 성분이 다를 경우) 대상 물질의 기초 성분을 변화시킬 수 있다. 또, 이온 주입은 고에너지로 대상 물질에 침투할 때 화학적, 물리적 변화를 유발할 수도 있다. 대상 물질의 [[결정 구조]]는 에너지 [[충돌 캐스케이드]]에 의해 손상되거나 심지어는 파괴될 수도 있으며 충분히 높은 에너지를 가진 이온(10s의 MeV)들은 [[핵변환]]을 일으킬 수 있다.

== 반도체 장치 제조의 응용 ==
=== 도핑 ===
붕소, 인, 비소의 반도체 도핑은 이온 주입의 일반적인 응용 형태이다. 반도체에 주입할 때 도핑된 각 워자는 [[어닐링]] 이후 반도체에 대전입자를 만들어낼 수 있다. [[불순물 반도체|p형]] 도펀트의 경우 [[양공 (물리학)|양공]]이 생성될 수 있으며 [[불순물 반도체|n형]] 도펀트의 경우 전자가 생성될 수 있다. 이로써 주변부에 반도체의 전도성을 수정한다. 이 기법은 이를테면 [[MOSFET]]의 스레숄드를 조정하기 위해 사용된다.

이온 주입은 1970년대 말, 1980년대 초 광발전 기기들의 p-n 접합을 만드는 한 방식으로 개발되었으며,<ref>A. J. Armini, S. N. Bunker and M. B. Spitzer, "Non-mass-analyzed Ion Implantation Equipment for high Volume Solar Cell Production," ''Proc. 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference'', 27-30 Sep 1982, San Diego California, pp. 895-899.</ref> 이는 고속 어닐링을 위한 펄스용 전자빔의 이용과 함께한다.<ref>G. Landis et al., "Apparatus and Technique for Pulsed Electron Beam Annealing for Solar Cell Production," ''Proc. 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,'' Orlando FL; 976-980 (1981).</ref> 그러나 상업 생산용으로는 오늘날까지 사용되지 않고 있다.

== 기타 응용 ==
=== 이온 주입 유도 [[나노입자]] 형성 ===
분산된 금속 나노입자를 함유하는 사파이어 등 유전체 기반 합성 물질들은 [[광전자 공학]]과 [[비선형 광학]] 분야의 유망한 재료들이다.<ref name="Stepanov">{{저널 인용|last1=Stepanov|first1=A. L.|last2=Marques|first2=C.|last3=Alves|first3=E.|last4=da Silva|first4=R. C.|last5=Silva|first5=M. R.|last6=Ganeev|first6=R. A.|last7=Ryasnyansky|first7=A. I.|last8=Usmanov|first8=T.|title=Nonlinear optical properties of gold nanoparticles synthesized by ion implantation in sapphire matrix|journal=Technical Physics Letters|date=2005|volume=31|issue=8|pages=702–705|doi=10.1134/1.2035371}}</ref>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
| 
! 주입종
! 기질
! 이온빔 에너지 (keV)
! 플루언스 (ions/cm<sup>2</sup>)
! 주입후 열처리
! 결과
! 출처
|-
! rowspan=6 | 주입 이온을 함유하는 산화물 생성
| Co
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 65
| 5*10<sup>17</sup>
| 1400&nbsp;°C에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>CoO<sub>4</sub> 스피넬 형성
|<ref name="Werner">{{저널 인용|last1=Werner|first1=Z.|last2=Pisarek|first2=M.|last3=Barlak|first3=M.|last4=Ratajczak|first4=R.|last5=Starosta|first5=W.|last6=Piekoszewski|first6=J.|last7=Szymczyk|first7=W.|last8=Grotzschel|first8=R.|title=Chemical effects in Zr- and Co-implanted sapphire|journal=Vacuum|date=2009|volume=83|pages=S57–S60|doi=10.1016/j.vacuum.2009.01.022}}</ref>
|-
| Co
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 2*10<sup>17</sup>
| 산화 환경에서 1000&nbsp;°C에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>CoO<sub>4</sub> 스피넬 형성
|<ref name="Alves">{{저널 인용|last1=Alves|first1=E.|last2=Marques|first2=C.|last3=da Silva|first3=R.C.|last4=Monteiro|first4=T.|last5=Soares|first5=J.|last6=McHargue|first6=C.|last7=Ononye|first7=L.C.|last8=Allard|first8=L.F|title=Structural and optical studies of Co and Ti implanted sapphire|journal=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms|date=2003|volume=207|issue=1|pages=55–62|doi=10.1016/S0168-583X(03)00522-6}}</ref>
|-
| Mg
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 5*10<sup>16</sup>
| ---
| MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub> 혈소판 형성
|<ref name="Hunt">{{저널 인용|last1=Hunt|first1=Eden|last2=Hampikian|first2=Janet|title=Ion implantation-induced nanoscale particle formation in Al2O3 and SiO2 via reduction|journal=Acta Materialia|date=1999|volume=47|issue=5|pages=1497–1511|doi=10.1016/S1359-6454(99)00028-2}}</ref>
|-
| Sn
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 60
| 1*10<sup>17</sup>
| 1시간 동안 1000&nbsp;°C의 O<sub>2</sub> 기체에서 어닐링
| 30&nbsp;nm SnO<sub>2</sub> 나노입자 형성
|<ref name="Xiang3">{{저널 인용|last1=Xiang|first1=X|last2=Zu|first2=X. T.|last3=Zhu|first3=S.|last4=Wang|first4=L. M.|last5=Shutthanandan|first5=V.|last6=Nachimuthu|first6=P.|last7=Zhang|first7=Y.|title=Photoluminescence of SnO2 nanoparticles embedded in Al2O3|journal=Journal of Applied Physics D: Applied Physics|date=2008|volume=41|issue=22|pages=225102|doi=10.1088/0022-3727/41/22/225102|url=https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/64215/1/d8_22_225102.pdf}}</ref>
|-
| Zn
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 48
| 1*10<sup>17</sup>
| 600&nbsp;°C의 O<sub>2</sub> 기체에서 어닐링
| ZnO 나노입자 형성
|<ref name="Xiang">{{저널 인용|last1=Xiang|first1=X.|last2=Zu|first2=X. T.|last3=Zhu|first3=S.|last4=Wei|first4=Q. M.|last5=Zhang|first5=C. F|last6=Sun|first6=K|last7=Wang|first7=L. M.|title=ZnO nanoparticles embedded in sapphire fabricated by ion implantation and annealing|journal=Nanotechnology|date=2006|volume=17|issue=10|pages=2636–2640|doi=10.1088/0957-4484/17/10/032|url=https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/49223/2/nano6_10_032.pdf}}</ref>
|-
| Zr
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 65
| 5*10<sup>17</sup>
| 1400&nbsp;°C에서 어닐링
| ZrO<sub>2</sub> 침전물 형성
|<ref name="Werner" />
|-
! rowspan=10 | 주입종으로부터 금속 나노입자 생성
| Ag
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 1500, 2000
| 2*10<sup>16</sup>, 8*10<sup>16</sup>
| 산화, 환원, Ar, N<sub>2</sub> 기체에서 600&nbsp;°C ~ 1100&nbsp;°C 사이에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 형태의 Ag 나노입자
|<ref name="Mota-Santiago">{{저널 인용|last1=Mota-Santiago|first1=Pablo-Ernesto|last2=Crespo-Sosa|first2=Alejandro|last3=Jimenez-Hernandez|first3=Jose-Luis|last4=Silva-Pereyra|first4=Hector-Gabriel|last5=Reyes-Esqueda|first5=Jorge-Alejandro|last6=Oliver|first6=Alicia|title=Size characterisation of noble-metal nano-crystals formed in sapphire by ion irradiation and subsequent thermal annealing|journal=Applied Surface Science|date=2012|volume=259|pages=574–581|doi=10.1016/j.apsusc.2012.06.114}}</ref>
|-
| Au
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 160
| 0.6*10<sup>17</sup>, 1*10<sup>16</sup>
| 대기에서 800&nbsp;°C 상태에서 1시간
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 형태의 Au 나노입자
|<ref name="Stepanov" />
|-
| Au
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 1500, 2000
| 2*10<sup>16</sup>, 8*10<sup>16</sup>
| 산화, 환원, Ar, N<sub>2</sub> 기체에서 600&nbsp;°C ~ 1100&nbsp;°C 사이에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 형태의 Au 나노입자
|<ref name="Mota-Santiago" />
|-
| Co
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| <5*10<sup>16</sup>
| 1000&nbsp;°C에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 형태의 Co 나노입자
|<ref name="Alves" />
|-
| Co
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 2*10<sup>17</sup>
| 환원 환경에서 1000&nbsp;°C에서 어닐링
| 금속 Co 침전
|<ref name="Alves" />
|-
| Fe
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 160
| 1*10<sup>16</sup> to 2*10<sup>17</sup>
| 환원 환경에서 700&nbsp;°C ~ 1500&nbsp;°C 사이에서 1시간 동안 어닐링
| Fe 나노복합재료
|<ref name="McHargue">{{저널 인용|last1=McHargue|first1=C.J.|last2=Ren|first2=S.X.|last3=Hunn|first3=J.D|title=Nanometer-size dispersions of iron in sapphire prepared by ion implantation and annealing|journal=Materials Science and Engineering: A|date=1998|volume=253|issue=1|pages=1–7|doi=10.1016/S0921-5093(98)00722-9}}</ref>
|-
| Ni
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 64
| 1*10<sup>17</sup>
| ---
| 1-5&nbsp;nm Ni 나노입자
|<ref name="Xiang2">{{저널 인용|last1=Xiang|first1=X.|last2=Zu|first2=X. T.|last3=Zhu|first3=S.|last4=Wang|first4=L. M.|title=Optical properties of metallic nanoparticles in Ni-ion-implanted α-Al2O3 single crystals|journal=Applied Physics Letters|date=2004|volume=84|pages=52–54|doi=10.1063/1.1636817}}</ref>
|-
| Si
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 50
| 2*10<sup>16</sup>, 8*10<sup>16</sup>
| 500&nbsp;°C ~ 1000&nbsp;°C 사이에서 30분 간 어닐링
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>의 Si 나노입자
|<ref name="Sharma">{{저널 인용|last1=Sharma|first1=S. K.|last2=Pujari|first2=P. K.|title=Embedded Si nanoclusters in α-alumina synthesized by ion implantation: An investigation using depth dependent Doppler broadening spectroscopy|journal=Journal of Alloys and Compounds|date=2017|volume=715|pages=247–253|doi=10.1016/j.jallcom.2017.04.285}}</ref>
|-
| Sn
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 60
| 1*10<sup>17</sup>
| ---
| 15&nbsp;nm 정방정계 Sn 나노입자
|<ref name="Xiang3" />
|-
| Ti
| α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 100
| <5*10<sup>16</sup>
| 1000&nbsp;°C에서 어닐링
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>의 Ti 나노입자
|<ref name="Alves" />
|-
! rowspan=3 | 기질로부터 금속 나노입자 생성
| Ca
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 5*10<sup>16</sup>
| ---
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 및 CaO를 함유하는 비정질 AI 나노입자
|<ref name="Hunt" />
|-
| Y
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 5*10<sup>16</sup>
| ---
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 및 Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>를 함유하는 10.7± 1.8&nbsp;nm 비정질 Al 입자
|<ref name="Hunt" />
|-
| Y
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 150
| 2.5*10<sup>16</sup>
| ---
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 및 Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>를 함유하는 9.0± 1.2&nbsp;nm 비정질 Al 입자
|<ref name="Hunt2">{{저널 인용|last1=Hunt|first1=Eden|last2=Hampikian|first2=Janet|title=Implantation parameters affecting aluminum nano-particle formation in alumina|journal=Journal of Materials Science|date=April 2001|volume=36|issue=8|pages=1963–1973|doi=10.1023/A:1017562311310}}</ref>
|}

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* {{위키공용분류-줄|Ion implantation}}

[[분류:재료과학]]
[[분류:반도체 기술]]
[[분류:반도체 제조]]