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

Ionska implantacija je niskotemperaturni proces kojim se komponente jednog elementa ubrzavaju u čvrstu površinu ploče, čime se mijenjaju njegova fizikalna, kemijska ili električna svojstva. Ova se metoda koristi u proizvodnji poluvodičkih uređaja i u završnoj obradi metala, kao i u istraživanjima znanosti o materijalima. 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.

Opće načelo postavljanja ionske implantacije

Oprema se obično sastoji od izvora gdje nastaju atomi željenog elementa, akceleratora gdje se elektrostatički ubrzavaju do visoke energije i ciljne komore gdje se sudaraju s metom koja je materijal. Dakle, ovaj je postupak poseban slučaj emisije čestica. Svaki je ion obično jedan atom ili molekula, pa je stoga stvarna količina materijala ugrađenog u cilj vremenski integral ionske struje. Taj se broj naziva doza. Struje koje isporučuju implantati obično su male (mikroamperi), pa je stoga 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 kreću se od 10 do 500 kev (1.600 do 80.000 aj). Ionska implantacija može se koristiti pri niskim energijama u rasponu od 1 do 10 kev (160 do 1600 aj), ali s penetracijom od samo nekoliko nanometara ili manje. Snaga ispod toga rezultira vrlo malom štetom na meti i pogađa pod, ispod oznaka taloženje ionskog snopa. A mogu se koristiti i veće energije: uobičajeni su akceleratori sposobni za 5 Mev (800 000 aj). Ipak, često se nanosi velika strukturna šteta cilju, a budući da je raspodjela dubine široka (Braggov Vrh), Neto promjena sastava u bilo kojoj točki cilja bit će mala.

Energija iona, kao i različite vrste atoma i ciljni sastav određuju dubinu prodiranja čestica u krutinu. Monoenergetski ionski snop obično ima široku raspodjelu dubine. Prosječna penetracija naziva se raspon. U tipičnim uvjetima bit će između 10 nanometara i 1 mikrometra. Stoga je niskoenergetska ionska implantacija posebno korisna u slučajevima kada je poželjno da kemijska ili strukturna promjena bude blizu ciljne površine. Čestice postupno gube energiju dok prolaze kroz krutinu, kako slučajnim sudarima s ciljnim atomima (koji uzrokuju nagle prijenose energije), tako i laganim kočenjem od preklapanja elektronskih orbitala, što je kontinuirani proces. Gubitak energije iona u cilju naziva se zaustavljanje i može se modelirati metodom ionske implantacije aproksimacije binarnog sudara.

Akceleratorski sustavi obično se dijele na srednju struju, visoku, veliku energiju i vrlo značajnu dozu.

Sve vrste dizajna snopa ionskih implantata sadrže određene opće skupine funkcionalnih komponenti. Razmotrite primjere. Prve fizikalne i fizikalno-kemijske osnove ionske implantacije uključuju uređaj poznat kao izvor za stvaranje čestica. Ovaj je instrument usko povezan s pomaknutim elektrodama za izdvajanje atoma u liniji snopa, a najčešće s nekim sredstvima za odabir određenih vrsta za transport do glavnog dijela akceleratora. Izbor "mase" često je popraćen prolaskom izvedene ionske zrake kroz područje magnetskog polja s izlaznim putem omeđenim rupama za blokiranje ili "prorezima" koji dopuštaju samo ione s određenom vrijednošću umnoška mase i brzine. Ako je ciljna površina veća od promjera ionskog snopa i po mogućnosti je implantirana doza ravnomjernije raspoređena po njoj, tada se koristi neka kombinacija skeniranja snopa i pomicanja ploče. Konačno, cilj je uparen s nekim načinom prikupljanja pohranjenog naboja implantiranih iona, tako da se isporučena doza može kontinuirano mjeriti i proces se zaustavlja na željenoj razini.

Primjena u proizvodnji poluvodičkih uređaja

Doping bora, fosfora ili arsena uobičajena je primjena ovog postupka. U ionskoj implantaciji poluvodiča, svaki dopantni atom može stvoriti nosač naboja nakon žarenja. Možete izgraditi rupu za dopant P-tipa i elektron-tipa. To mijenja vodljivost poluvodiča u njegova okolica. Tehnika se koristi, na primjer, za podešavanje praga od.

Ionska implantacija razvijena je kao metoda za proizvodnju fotonaponskih uređaja s fotonaponskim prijenosom u kasnim 1970-ima i ranim 1980-ima, zajedno s upotrebom impulsne elektronske zrake za brzo žarenje, iako do danas nije primijenjena za komercijalnu proizvodnju.

Silicij na izolatoru

Jedan od poznatih načina za dobivanje određenog materijala na dielektričnim (Oceanovim) supstratima iz konvencionalnih silicijskih supstrata je proces UMP (odvajanje implantacijom kisika), u kojem se napunjeni zrak visoke doze pretvara u silicijev oksid zahvaljujući procesu žarenja na visokoj temperaturi.

Mezotaksija

To je izraz za rast kristalografski podudarne faze ispod površine osnovnog kristala. U tom se procesu ioni ugrađuju s dovoljno visokom energijom i dozom u materijal kako bi se stvorio sloj druge faze, a temperatura se regulira tako da se ciljna struktura ne sruši. Kristalna orijentacija sloja može se dizajnirati tako da odgovara svrsi, iako točna konstanta rešetke može biti vrlo različita. Na primjer, nakon implantacije iona nikla u Silicijsku pločicu, može se uzgajati sloj silicida u kojem se orijentacija kristala podudara s vrijednostima silicija.

Primjena u metalnoj završnoj obradi

Dušik ili drugi ioni mogu se ugraditi u metu izrađenu od alatnog čelika (npr. Strukturna promjena izaziva površinsku kompresiju u materijalu, što sprječava širenje pukotina i tako ga čini otpornijim na lom.

Završna obrada površine

U nekim primjenama, na primjer za proteze, poput umjetnih zglobova, poželjno je imati cilj koji je vrlo otporan i na kemijsku koroziju i na trošenje uslijed trenja. Ionska implantacija koristi se za projektiranje površina takvih uređaja za više pouzdan rad. Kao i kod alatnih čelika, modifikacija cilja uzrokovana ionskom implantacijom uključuje i površinsku kompresiju koja sprječava širenje pukotina i legiranje kako bi bila kemijski otpornija na koroziju.

Ostale aplikacije

Implantacija se može koristiti za postizanje miješanja ionskih zraka, odnosno miješanja atoma različitih elemenata na sučelju. Može biti koristan da bi se postigle graduirane površine ili poboljšalo prianjanje između slojeva materijala koji se ne miješaju.

Formiranje nanočestica

Ionska implantacija može se koristiti za indukciju nanorazmjernih materijala u oksidima kao što su safir i silicijev dioksid. Atomi se mogu formirati taloženjem ili stvaranjem miješanih tvari koje sadrže i ionski implantirani element i supstrat.

Tipične energije ionskog snopa koje se koriste za proizvodnju nanočestica su u rasponu od 50 do 150 kev, a ionska fluencija je između 10-16 i 10-18 KV. vidi. Može se formirati velika raznolikost materijala s veličinama od 1 nm do 20 nm i sa sastavima koji mogu sadržavati implantirane čestice, kombinacije koje se sastoje isključivo od kationa vezanog za supstrat.

Tvari na bazi dielektrika, poput safira, koje sadrže raspršene nanočestice metalnih ionskih implantata, obećavaju materijali za Optoelektronika i nelinearna optika.

Problemi

Svaki pojedinačni ion proizvodi mnogo točkastih defekata u ciljnom kristalu kada je pogođen ili ugrađen. Slobodna mjesta su rešetkaste točke koje atom ne zauzima: u ovom se slučaju ion sudara s ciljnim atomom, što rezultira prijenosom značajne količine energije na njega, tako da napušta svoje mjesto. Ovaj ciljni objekt sam postaje projektil u krutini i može uzrokovati uzastopne sudare. Internodije nastaju kada se takve čestice zaustave u krutini, ali ne pronađu slobodan prostor u rešetki za stanovanje. Ovi Točkasti defekti u ionskoj implantaciji mogu migrirati i nakupljati se jedni s drugima, što dovodi do dislokacijskih petlji i drugih problema.

Amorfizacija

Količina kristalografskog oštećenja može biti dovoljna za potpuni prijelaz ciljne površine, odnosno mora postati amorfna krutina. U nekim je slučajevima potpuna amorfizacija cilja poželjnija od kristala s visokim stupnjem oštećenja: takav film može ponovno rasti na nižoj temperaturi nego što je potrebno za žarenje teško oštećenog kristala. Amorfizacija supstrata može se dogoditi kao rezultat promjene snopa. Na primjer, kada se itrijevi ioni ugrađuju u safir pri energiji snopa od 150 kev do Fluence 5 * 10-16 i/KV. cm nastaje staklasti sloj debljine približno 110 nm, izmjeren s vanjske površine.

Prskanje

Neki od događaja sudara uzrokuju izbacivanje atoma s površine, pa će ionska implantacija polako nagrizati površinu. Učinak je primjetan samo za vrlo velike doze.

Ionski kanal

Ako se na cilj Primijeni kristalografska struktura, posebno u poluvodičkim podlogama gdje je otvorenija, tada se određeni smjerovi zaustavljaju mnogo manje od ostalih. Rezultat je da domet iona može biti mnogo veći ako se kreće točno duž određenog slijeda, na pr. u siliciju i drugim dijamantnim kubičnim materijalima. Taj se učinak naziva ionsko kanaliziranje i, kao i svi takvi učinci, vrlo su nelinearni, s malim odstupanjima od idealne orijentacije, što rezultira značajnim razlikama u dubini implantacije. Iz tog se razloga većina izvodi nekoliko stupnjeva izvan osi, gdje će sitne pogreške poravnanja imati predvidljivije učinke.