Implantacja jonów: koncepcja, zasada działania, metody, cel i zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Implantacja jonów to niskotemperaturowy proces, w którym składniki pojedynczego elementu są przyspieszane do stałej powierzchni wafla, zmieniając w ten sposób jego właściwości fizyczne, chemiczne lub elektryczne. Metoda ta znajduje zastosowanie w produkcji urządzeń półprzewodnikowych oraz w obróbce metali, a także w badaniach materiałoznawczych. Składniki mogą zmienić skład pierwiastkowy płyty, jeśli zatrzymają się i pozostaną w niej. Implantacja jonów powoduje również zmiany chemiczne i fizyczne, gdy atomy zderzają się z celem z dużą energią. Struktura krystaliczna płyty może zostać uszkodzona lub nawet zniszczona przez energetyczne kaskady zderzeń, a cząstki o wystarczająco dużej energii (10 MeV) mogą spowodować transmutację jądrową.

Ogólna zasada implantacji jonów

Sprzęt zwykle składa się ze źródła, w którym tworzą się atomy żądanego pierwiastka, akceleratora, w którym są one przyspieszane elektrostatycznie do wysokiegoenergię i komory docelowe, w których zderzają się z celem, którym jest materiał. Tak więc proces ten jest szczególnym przypadkiem promieniowania cząstek. Każdy jon jest zwykle pojedynczym atomem lub cząsteczką, a zatem rzeczywista ilość materiału wszczepionego do celu jest całką czasową prądu jonowego. Ta liczba nazywa się dawką. Prądy dostarczane przez implanty są zwykle małe (mikroampery), a zatem ilość, którą można wszczepić w rozsądnym czasie, jest niewielka. Dlatego implantacja jonów jest stosowana w przypadkach, gdy wymagana liczba zmian chemicznych jest niewielka.

Typowe energie jonów wahają się od 10 do 500 keV (1600 do 80000 aJ). Implantację jonów można stosować przy niskich energiach w zakresie od 1 do 10 keV (160 do 1600 aJ), ale penetracja wynosi tylko kilka nanometrów lub mniej. Moc poniżej tej powoduje bardzo małe uszkodzenia celu i mieści się w zakresie osadzania wiązki jonów. Można również stosować wyższe energie: akceleratory zdolne do 5 MeV (800 000 aJ) są powszechne. Jednak często występuje wiele uszkodzeń strukturalnych celu, a ponieważ rozkład głębokości jest szeroki (szczyt Bragga), wypadkowa zmiana kompozycji w dowolnym punkcie celu będzie niewielka.

Energia jonów, a także różne rodzaje atomów i skład celu określają głębokość wnikania cząstek w ciało stałe. Monoenergetyczna wiązka jonów ma zwykle szeroki rozkład głębokości. Średnia penetracja nazywana jest zasięgiem. Ww typowych warunkach będzie wynosić od 10 nanometrów do 1 mikrometra. Zatem implantacja jonów o niskiej energii jest szczególnie użyteczna w przypadkach, w których pożądane jest, aby zmiana chemiczna lub strukturalna następowała w pobliżu powierzchni docelowej. Cząstki stopniowo tracą energię podczas przechodzenia przez ciało stałe, zarówno w wyniku przypadkowych zderzeń z atomami docelowymi (które powodują nagłe transfery energii), jak i niewielkiego spowolnienia wynikającego z nakładania się orbitali elektronowych, które jest procesem ciągłym. Strata energii jonów w celu nazywana jest przeciągnięciem i może być modelowana za pomocą metody implantacji jonów w binarnym aproksymacji zderzenia.

Systemy akceleratorów są generalnie klasyfikowane jako średnioprądowe, wysokoprądowe, wysokoenergetyczne i bardzo znaczące.

Wszystkie odmiany konstrukcji wiązek do implantacji jonów zawierają pewne wspólne grupy elementów funkcjonalnych. Rozważ przykłady. Pierwsze fizyczne i fizykochemiczne podstawy implantacji jonów obejmują urządzenie znane jako źródło generowania cząstek. To urządzenie jest ściśle związane z spolaryzowanymi elektrodami do ekstrakcji atomów w linii wiązki i najczęściej z pewnymi środkami doboru określonych modów do transportu do głównej sekcji akceleratora. Wyborze „masy” często towarzyszy przejście wyekstrahowanej wiązki jonów przez obszar pola magnetycznego o ścieżce wyjścia ograniczonej przez blokujące otwory lub „szczeliny”, które przepuszczają tylko jony o określonej wartości iloczynu masy i prędkości. Jeśli powierzchnia docelowa jest większa niż średnica wiązki jonów ijeśli wszczepiona dawka jest bardziej równomiernie rozłożona na niej, stosuje się pewną kombinację skanowania wiązką i ruchu płytki. Wreszcie, cel jest połączony z pewnym sposobem gromadzenia nagromadzonego ładunku wszczepionych jonów, dzięki czemu dostarczana dawka może być mierzona w sposób ciągły, a proces zatrzymywany na pożądanym poziomie.

Zastosowanie w produkcji półprzewodników

Doping boru, fosforu lub arsenu jest powszechnym zastosowaniem tego procesu. W implantacji jonowej półprzewodników każdy atom domieszki może tworzyć nośnik ładunku po wyżarzaniu. Możesz zbudować dziurę dla domieszki typu p i elektronu typu n. Zmienia to przewodnictwo półprzewodnika w jego sąsiedztwie. Technika ta jest używana na przykład do dostosowania progu tranzystora MOSFET.

Implantacja jonów została opracowana jako metoda uzyskiwania złącza pn w urządzeniach fotowoltaicznych pod koniec lat 70. i na początku lat 80., wraz z użyciem impulsowej wiązki elektronów do szybkiego wyżarzania, chociaż do tej pory nie została ona skomercjalizowana.

Krzem na izolatorze

Jedną z dobrze znanych metod wytwarzania tego materiału na podłożach izolacyjnych (SOI) z konwencjonalnych podłoży krzemowych jest proces SIMOX (separacja przez implantację tlenu), w którym duże dawki powietrza są przekształcane w tlenek krzemu poprzez proces wyżarzania w wysokiej temperaturze.

Mezotaksja

Jest to termin określający wzrost krystalograficzniezbiegająca się faza pod powierzchnią głównego kryształu. W procesie tym jony są wszczepiane w materiał z odpowiednio dużą energią i dawką, aby utworzyć drugą warstwę fazy, a temperatura jest kontrolowana tak, aby docelowa struktura nie uległa zniszczeniu. Orientację kryształu warstwy można zaprojektować tak, aby odpowiadała celowi, nawet jeśli dokładna stała sieciowa może być bardzo różna. Na przykład po wszczepieniu jonów niklu do płytki krzemowej można wyhodować warstwę krzemku, w której orientacja kryształów odpowiada orientacji krzemu.

Metalowe wykończenie aplikacji

Azot lub inne jony można wszczepić do tarczy ze stali narzędziowej (takiej jak wiertło). Zmiana strukturalna powoduje ściskanie powierzchni w materiale, co zapobiega propagacji pęknięć, a tym samym czyni go bardziej odpornym na pękanie.

Wykończenie powierzchni

W niektórych zastosowaniach, na przykład w przypadku protez, takich jak sztuczne stawy, pożądane jest posiadanie tarczy, która jest wysoce odporna zarówno na korozję chemiczną, jak i zużycie spowodowane tarciem. Implantacja jonowa służy do projektowania powierzchni takich urządzeń w celu uzyskania bardziej niezawodnego działania. Podobnie jak w przypadku stali narzędziowych, modyfikacja docelowa spowodowana implantacją jonów obejmuje zarówno ściskanie powierzchni, aby zapobiec propagacji pęknięć, jak i tworzenie stopów, aby uczynić ją bardziej chemiczną odporną na korozję.

Inneaplikacje

Implantację można wykorzystać do uzyskania mieszania wiązek jonów, czyli mieszania atomów różnych pierwiastków na granicy faz. Może to być przydatne do uzyskania stopniowanych powierzchni lub zwiększenia przyczepności między warstwami niemieszalnych materiałów.

Tworzenie nanocząstek

Implantacja jonów może być stosowana do indukowania materiałów w nanoskali w tlenkach, takich jak szafir i dwutlenek krzemu. Atomy mogą powstawać w wyniku wytrącania lub tworzenia mieszanych substancji, które zawierają zarówno pierwiastek wszczepiony jonami, jak i substrat.

Typowe energie wiązki jonów wykorzystywane do otrzymywania nanocząstek mieszczą się w zakresie od 50 do 150 keV, a fluencja jonów wynosi od 10-16 do 10-18 kV. patrz Szeroka gama materiałów może być formowana o rozmiarach od 1 nm do 20 nm oraz z kompozycjami, które mogą zawierać wszczepione cząstki, kombinacje składające się wyłącznie z kationu związanego z podłożem.

Materiały na bazie dielektryków, takie jak szafir, które zawierają rozproszone nanocząsteczki implantacji jonów metali, są obiecującymi materiałami dla optoelektroniki i optyki nieliniowej.

Problemy

Każdy pojedynczy jon powoduje wiele defektów punktowych w docelowym krysztale po uderzeniu lub uszkodzeniu międzywęzłowym. Wakaty to punkty sieci niezajęte przez atom: w tym przypadku jon zderza się z atomem docelowym, co prowadzi do przeniesienia do niego znacznej ilości energii, tak że opuszcza swojąintrygować. Ten obiekt docelowy sam staje się pociskiem w ciele stałym i może powodować kolejne kolizje. Szczeliny pojawiają się, gdy takie cząstki zatrzymują się w ciele stałym, ale nie znajdują w sieci wolnej przestrzeni, w której mogłyby żyć. Te defekty punktowe podczas implantacji jonów mogą migrować i gromadzić się ze sobą, prowadząc do powstawania pętli dyslokacyjnych i innych problemów.

Amorfizacja

Ilość uszkodzeń krystalograficznych może wystarczyć do całkowitego przejścia powierzchni docelowej, to znaczy, że musi ona stać się amorficznym ciałem stałym. W niektórych przypadkach całkowita amorfizacja tarczy jest korzystniejsza niż kryształ o wysokim stopniu wadliwości: taka warstewka może ponownie rosnąć w niższej temperaturze niż wymagana do wyżarzania poważnie uszkodzonego kryształu. W wyniku zmian wiązek może wystąpić amorfizacja podłoża. Na przykład podczas wszczepiania jonów itru do szafiru przy energii wiązki 150 keV do fluencji 510-16 Y+/sq. cm, tworzy się warstwa szklista o grubości około 110 nm, mierzona od powierzchni zewnętrznej.

Spray

Niektóre z kolizji powodują wyrzucanie atomów z powierzchni, a zatem implantacja jonów powoli wytrawia powierzchnię. Efekt jest zauważalny tylko przy bardzo dużych dawkach.

Kanał jonowy

Jeśli struktura krystalograficzna jest nakładana na tarczę, zwłaszcza na podłożach półprzewodnikowych, gdzie jest ich więcejjest otwarta, to określone kierunki zatrzymują się znacznie mniej niż inne. W rezultacie zasięg jonu może być znacznie większy, jeśli porusza się on dokładnie po określonej ścieżce, na przykład w krzemie i innych sześciennych materiałach diamentowych. Efekt ten nazywany jest kanałem jonowym i, jak wszystkie podobne efekty, jest wysoce nieliniowy, z małymi odchyleniami od idealnej orientacji, co skutkuje znacznymi różnicami w głębokości implantacji. Z tego powodu większość biegnie kilka stopni poza osią, gdzie drobne błędy wyrównania będą miały bardziej przewidywalne skutki.