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

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Ionska implantacija je niskotemperaturni proces kojim se komponente jednog elementa ubrzavaju u čvrstu površinu pločice, čime se mijenjaju njena fizička, hemijska 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. Implantacija jona također uzrokuje kemijske i fizičke promjene kada se atomi sudaraju s metom pri visokoj energiji. Kristalna struktura ploče može biti oštećena ili čak uništena 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 ciljnih komora u kojima se sudaraju sa metom, koja je materijal. Dakle, ovaj proces je poseban slučaj zračenja čestica. Svaki ion je obično jedan atom ili molekul, pa je stvarna količina materijala implantiranog u metu vremenski integral struje jona. Ovaj broj se zove doza. Struje koje isporučuju implantati su obično 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 hemijskih promjena mali.

Tipične energije jona se kreću od 10 do 500 keV (1600 do 80000 aJ). Ionska implantacija se može 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 dovodi do vrlo malog oštećenja mete i potpada pod oznaku depozicije jonskog 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 tački na meti će biti mala.

Energija jona, kao i različite vrste atoma i sastav mete, određuju dubinu prodiranja čestica u čvrstu materiju. Monoenergetski snop jona obično ima široku distribuciju dubine. Prosječna penetracija se naziva raspon. ATu tipičnim uslovima biće između 10 nanometara i 1 mikrometar. Stoga je niskoenergetska ionska implantacija posebno korisna u slučajevima kada se želi da kemijska ili strukturna promjena bude blizu ciljne površine. Čestice postupno gube energiju dok prolaze kroz čvrstu supstancu, kako zbog slučajnih sudara sa ciljnim atomima (koji uzrokuju nagle prijenose energije), tako i od blagog usporavanja zbog preklapanja orbitala elektrona, što je kontinuirani proces. Gubitak energije jona u meti naziva se zastoj i može se modelirati korištenjem metode implantacije jona aproksimacije binarnog sudara.

Ubrzivački sistemi se generalno klasifikuju na srednje strujne, jake struje, visoke energije i veoma značajne doze.

Sve varijante dizajna snopa za ionsku implantaciju sadrže određene zajedničke grupe funkcionalnih komponenti. Razmotrite primjere. Prvi fizički i fizičko-hemijski temelji ionske implantacije uključuju uređaj poznat kao izvor za stvaranje čestica. Ovaj uređaj je usko povezan sa pristrasnim elektrodama za izdvajanje atoma u liniju snopa i najčešće sa nekim načinima odabira specifičnih načina transporta do glavnog dela akceleratora. Odabir "mase" često je praćen prolaskom ekstrahovanog jonskog snopa kroz područje magnetnog polja sa izlaznom putanjom ograničenom blokirajućim rupama ili "prorezima" koji dozvoljavaju samo ione sa određenom vrijednošću proizvoda mase i brzine. Ako je ciljna površina veća od prečnika jonskog snopa iako je implantirana doza ravnomjernije raspoređena po njoj, tada se koristi neka kombinacija skeniranja zraka i kretanja ploče. Konačno, cilj je povezan na neki način prikupljanja akumuliranog naboja implantiranih jona tako da se isporučena doza može kontinuirano mjeriti i proces zaustaviti na željenom nivou.

Primjena u proizvodnji poluprovodnika

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

Ionska implantacija je razvijena kao metoda dobijanja pn spoja u fotonaponskim uređajima kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih, zajedno sa upotrebom impulsnog elektronskog snopa za brzo žarenje, iako do danas nije komercijalizirana.

Silikon na izolatoru

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

Mezotaksija

Ovo je izraz za kristalografski rastpoklapajuća faza ispod površine glavnog kristala. U ovom procesu, joni se implantiraju s dovoljno visokom energijom i dozom u materijal kako bi se stvorio sloj druge faze, a temperatura se kontrolira tako da ciljna struktura ne bude uništena. Kristalna orijentacija sloja može biti dizajnirana tako da odgovara svrsi, čak i ako tačna konstanta rešetke može biti vrlo različita. Na primjer, nakon implantacije jona nikla u silicijumsku pločicu, može se uzgajati sloj silicida u kojem se kristalna orijentacija poklapa sa orijentacijom silicijuma.

Primjena za obradu metala

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

Površinska obrada

U nekim primenama, na primer za proteze kao što su veštački zglobovi, poželjno je imati metu koja je veoma otporna i na hemijsku koroziju i na habanje usled trenja. Ionska implantacija se koristi za dizajniranje površina takvih uređaja za pouzdanije performanse. Kao i kod alatnih čelika, modifikacija cilja uzrokovana ionskom implantacijom uključuje i površinsku kompresiju kako bi se spriječilo širenje pukotina i legiranje kako bi se učinilo hemijski otpornijim na koroziju.

Ostaloaplikacije

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

Formiranje nanočestica

Ionska implantacija se može koristiti za indukciju materijala nanorazmjera u oksidima kao što su safir i silicijum dioksid. Atomi se mogu formirati kao rezultat precipitacije ili formiranja miješanih supstanci koje sadrže i ionski implantirani element i supstrat.

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

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

Problemi

Svaki pojedinačni ion proizvodi mnoge tačke defekta u ciljnom kristalu nakon udara ili međuprostora. Slobodna mjesta su tačke rešetke koje atom ne zauzima: u ovom slučaju ion se sudara sa ciljnim atomom, što dovodi do prijenosa značajne količine energije na njega, tako da napušta svojplot. Sam ciljni objekt postaje projektil u čvrstom tijelu i može uzrokovati uzastopne sudare. Međuprostori se javljaju kada se takve čestice zaustave u čvrstom stanju, ali ne nađu slobodan prostor u rešetki za život. Ovi tačkasti defekti tokom jonske 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 da u potpunosti pređe ciljnu površinu, odnosno mora postati amorfna čvrsta supstanca. U nekim slučajevima, potpuna amorfizacija mete je poželjnija od kristala sa visokim stepenom defekta: takav film može ponovo rasti na nižoj temperaturi nego što je potrebna za žarenje ozbiljno oštećenog kristala. Amorfizacija podloge može nastati kao rezultat promjena zraka. Na primjer, prilikom implantacije itrijumovih jona 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 sa površine, i tako će ionska implantacija polako odrezati površinu. Efekat je primetan samo za veoma velike doze.

Ion kanal

Ako se kristalografska struktura nanese na metu, posebno u poluvodičkim podlogama gdje je višeje otvoren, tada se određeni pravci zaustavljaju mnogo manje od ostalih. Rezultat je da raspon jona može biti mnogo veći ako se kreće točno duž određene putanje, kao što je silicijum i drugi dijamantski kubični materijali. Ovaj efekat se naziva kanalisanje jona i, kao i svi slični efekti, veoma je nelinearan, sa malim odstupanjima od idealne orijentacije što rezultira značajnim razlikama u dubini implantacije. Iz tog razloga, većina se kreće nekoliko stepeni van ose, gdje će sitne greške u poravnanju imati predvidljivije efekte.