Ionska implantacija: koncept, princip rada, metode, svrha i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Ionska implantacija je niskotemperaturni proces kojim se komponente jednog elementa ubrzavaju u čvrstu površinu vafla, čime se mijenjaju njegova fizička, kemijska ili električna svojstva. Ova metoda se koristi u proizvodnji poluvodičkih uređaja i završnoj obradi metala, kao iu istraživanju materijala. Komponente mogu promijeniti elementarni sastav ploče ako se zaustave i ostanu u njoj. Ionska implantacija također uzrokuje kemijske i fizičke promjene kada se atomi sudaraju s metom pri visokoj energiji. Kristalna struktura ploče može se oštetiti ili čak uništiti energetskim kaskadama sudara, a čestice dovoljno visoke energije (10 MeV) mogu uzrokovati nuklearnu transmutaciju.

Opći princip ionske implantacije

Oprema se obično sastoji od izvora gdje se formiraju atomi željenog elementa, akceleratora gdje se elektrostatički ubrzavaju do visokeenergije i ciljne komore gdje se sudaraju s metom, koja je materijal. Dakle, ovaj proces je poseban slučaj zračenja čestica. Svaki ion je obično jedan atom ili molekula, pa je stvarna količina materijala implantiranog u metu vremenski integral ionske struje. Taj se broj naziva doza. Struje koje isporučuju implantati obično su male (mikroamperi) i stoga je količina koja se može implantirati u razumnom vremenu mala. Stoga se ionska implantacija koristi u slučajevima kada je broj potrebnih kemijskih promjena mali.

Tipične energije iona su u rasponu od 10 do 500 keV (1600 do 80000 aJ). Ionska implantacija može se koristiti pri niskim energijama u rasponu od 1 do 10 keV (160 do 1600 aJ), ali penetracija je samo nekoliko nanometara ili manje. Snaga ispod ove rezultira vrlo malim oštećenjem mete i potpada pod oznaku taloženja ionskog snopa. Mogu se koristiti i veće energije: uobičajeni su akceleratori od 5 MeV (800 000 aJ). Međutim, često postoji mnogo strukturnih oštećenja na meti, a budući da je distribucija dubine široka (Braggov vrh), neto promjena sastava u bilo kojoj točki na meti bit će mala.

Energija iona, kao i različite vrste atoma i sastav mete, određuju dubinu prodiranja čestica u krutinu. Monoenergetski ionski snop obično ima široku raspodjelu dubine. Prosječna penetracija naziva se raspon. NAu tipičnim uvjetima bit će između 10 nanometara i 1 mikrometra. Stoga je implantacija niskoenergetskih iona osobito korisna u slučajevima kada se želi da kemijska ili strukturna promjena bude blizu ciljne površine. Čestice postupno gube energiju dok prolaze kroz kruto tijelo, kako zbog slučajnih sudara s ciljnim atomima (koji uzrokuju nagle prijenose energije), tako i zbog blagog usporavanja zbog preklapanja orbitala elektrona, što je kontinuirani proces. Gubitak energije iona u meti naziva se zastojem i može se modelirati korištenjem metode ionske implantacije aproksimacije binarnog sudara.

Sustavi ubrzivača općenito se klasificiraju na srednje strujne, velike struje, visoke energije i vrlo značajnu dozu.

Sve varijante dizajna zraka za ionsku implantaciju sadrže određene zajedničke skupine funkcionalnih komponenti. Razmotrite primjere. Prvi fizički i fizikalno-kemijski temelji ionske implantacije uključuju uređaj poznat kao izvor za generiranje čestica. Ovaj je uređaj usko povezan s pristranim elektrodama za izdvajanje atoma u liniju snopa i najčešće s nekim načinima odabira specifičnih načina transporta do glavnog dijela akceleratora. Odabir "mase" često je popraćen prolaskom ekstrahirane ionske zrake kroz područje magnetskog polja s izlaznim putem ograničenim rupama ili "prorezima" koji dopuštaju samo ione s određenom vrijednošću proizvoda mase i brzine. Ako je ciljna površina veća od promjera ionskog snopa iako je implantirana doza ravnomjernije raspoređena po njoj, tada se koristi neka kombinacija skeniranja snopa i kretanja ploče. Konačno, cilj je povezan s nekim načinom prikupljanja akumuliranog naboja implantiranih iona tako da se isporučena doza može kontinuirano mjeriti i proces zaustaviti na željenoj razini.

Primjena u proizvodnji poluvodiča

Doping s borom, fosforom ili arsenom uobičajena je primjena ovog procesa. U ionskoj implantaciji poluvodiča, svaki atom dopanta može stvoriti nosač naboja nakon žarenja. Možete napraviti rupu za dopant p-tipa i elektron n-tipa. To mijenja vodljivost poluvodiča u njegovoj blizini. Tehnika se koristi, na primjer, za podešavanje praga MOSFET-a.

Ionska implantacija razvijena je kao metoda dobivanja pn spoja u fotonaponskim uređajima kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih, zajedno s korištenjem impulsne elektronske zrake za brzo žarenje, iako do danas nije komercijalizirana.

Silicij na izolatoru

Jedna od dobro poznatih metoda za proizvodnju ovog materijala na izolatorskim (SOI) supstratima od konvencionalnih silikonskih supstrata je SIMOX (odvajanje implantacijom kisika) proces, u kojem se visoke doze zraka pretvaraju u silicij oksid kroz proces žarenja na visokim temperaturama.

Mezotaksija

Ovo je izraz za kristalografski rastpodudarajuća faza ispod površine glavnog kristala. U tom procesu, ioni se implantiraju s dovoljno visokom energijom i dozom u materijal kako bi se stvorio drugi fazni sloj, a temperatura se kontrolira kako se ciljna struktura ne bi uništila. Kristalna orijentacija sloja može biti dizajnirana tako da odgovara namjeni, čak i ako točna konstanta rešetke može biti vrlo različita. Na primjer, nakon implantacije iona nikla u silicijsku pločicu, može se uzgajati sloj silicida u kojem se kristalna orijentacija podudara s orijentacijom silicija.

Primjena za obradu metala

Dušik ili drugi ioni mogu se implantirati u metu od alatnog čelika (kao što je bušilica). Strukturna promjena izaziva površinsku kompresiju u materijalu, što sprječava širenje pukotina i tako ga čini otpornijim na lom.

Površinska obrada

U nekim primjenama, na primjer za proteze kao što su umjetni zglobovi, poželjno je imati metu koja je vrlo otporna i na kemijsku koroziju i na trošenje uslijed trenja. Ionska implantacija koristi se za dizajniranje površina takvih uređaja radi pouzdanijeg rada. Kao i kod alatnih čelika, modifikacija cilja uzrokovana ionskom implantacijom uključuje i površinsku kompresiju kako bi se spriječilo širenje pukotina i legiranje kako bi bio kemijski otporniji na koroziju.

Ostaloaplikacije

Implantacija se može koristiti za postizanje miješanja ionskih snopova, odnosno miješanja atoma različitih elemenata na sučelju. Ovo može biti korisno za postizanje stupnjevanih površina ili poboljšanje prianjanja između slojeva materijala koji se ne miješaju.

Formiranje nanočestica

Ionska implantacija može se koristiti za induciranje materijala nanorazmjera u oksidima kao što su safir i silicij dioksid. Atomi mogu nastati kao rezultat precipitacije ili stvaranja miješanih tvari koje sadrže i ionski implantirani element i supstrat.

Tipične energije ionskog snopa koje se koriste za dobivanje nanočestica su u rasponu od 50 do 150 keV, a fluence iona je od 10-16 do 10-18 kV. vidi Širok raspon materijala može se formirati s veličinama od 1 nm do 20 nm i sa sastavima koji mogu sadržavati implantirane čestice, kombinacije koje se sastoje isključivo od kationa vezanih za podlogu.

Materijali na bazi dielektrika kao što je safir, koji sadrže dispergirane nanočestice implantacije metalnih iona, obećavajući su materijali za optoelektroniku i nelinearnu optiku.

Problemi

Svaki pojedinačni ion proizvodi mnoge točkaste defekte u ciljnom kristalu nakon udara ili međuprostora. Slobodna mjesta su točke rešetke koje atom ne zauzima: u ovom slučaju ion se sudara s ciljnim atomom, što dovodi do prijenosa značajne količine energije na njega, tako da napušta svojzemljište. Sam ciljni objekt postaje projektil u čvrstom tijelu i može uzrokovati uzastopne sudare. Međuprostori nastaju kada se takve čestice zaustave u krutom tijelu, ali ne nađu slobodan prostor u rešetki za život. Ovi točkasti defekti tijekom ionske implantacije mogu migrirati i skupljati se jedni s drugima, što dovodi do stvaranja dislokacijskih petlji i drugih problema.

Amorfizacija

Količina kristalografskog oštećenja može biti dovoljna za potpuni prijelaz ciljne površine, odnosno mora postati amorfna krutina. U nekim slučajevima, potpuna amorfizacija mete je poželjnija od kristala s visokim stupnjem defekta: takav film može ponovno rasti na nižoj temperaturi od one koja je potrebna za žarenje ozbiljno oštećenog kristala. Amorfizacija podloge može nastati kao posljedica promjena snopa. Na primjer, kod implantacije itrijevih iona u safir pri energiji snopa od 150 keV do fluence od 510-16 Y+/sq. cm, formira se staklasti sloj debljine približno 110 nm, mjereno od vanjske površine.

Sprej

Neki od sudara uzrokuju izbacivanje atoma s površine, a time će ionska implantacija polako odrezati površinu. Učinak je vidljiv samo za vrlo velike doze.

Ion kanal

Ako se kristalografska struktura primjenjuje na metu, posebno u poluvodičkim podlogama gdje je višeje otvoren, tada se određeni smjerovi zaustavljaju mnogo manje od ostalih. Rezultat je da raspon iona može biti mnogo veći ako se kreće točno duž određene staze, kao što je u siliciju i drugim dijamantnim kubičnim materijalima. Taj se učinak naziva kanaliziranje iona i, kao i svi slični učinci, vrlo je nelinearan, s malim odstupanjima od idealne orijentacije što rezultira značajnim razlikama u dubini implantacije. Iz tog razloga, većina se kreće nekoliko stupnjeva izvan osi, gdje će sitne pogreške poravnanja imati predvidljivije učinke.