Implantarea ionică: concept, principiu de funcționare, metode, scop și aplicare

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Implantarea ionică este un proces la temperatură joasă prin care componentele unui singur element sunt accelerate în suprafața solidă a unei plachete, modificându-i astfel proprietățile fizice, chimice sau electrice. Această metodă este utilizată în producția de dispozitive semiconductoare și în finisarea metalelor, precum și în cercetarea științei materialelor. Componentele pot modifica compoziția elementară a plăcii dacă se opresc și rămân în ea. Implantarea ionică provoacă, de asemenea, modificări chimice și fizice atunci când atomii se ciocnesc cu o țintă la energie mare. Structura cristalină a plăcii poate fi deteriorată sau chiar distrusă de cascadele de energie ale coliziunilor, iar particulele de energie suficient de mare (10 MeV) pot provoca transmutație nucleară.

Principiul general al implantării ionice

Echipamentul constă de obicei dintr-o sursă în care se formează atomii elementului dorit, un accelerator în care aceștia sunt accelerați electrostatic la un nivel ridicat.energie și camerele țintei în care se ciocnesc cu ținta, care este materialul. Astfel, acest proces este un caz special de radiație de particule. Fiecare ion este de obicei un singur atom sau moleculă și astfel cantitatea reală de material implantată în țintă este integrala de timp a curentului ionic. Acest număr se numește doză. Curenții furnizați de implanturi sunt de obicei mici (microamperi) și, prin urmare, cantitatea care poate fi implantată într-o perioadă rezonabilă de timp este mică. Prin urmare, implantarea ionică este utilizată în cazurile în care numărul de modificări chimice necesare este mic.

Energiile ionice tipice variază de la 10 la 500 keV (1600 la 80000 aJ). Implantarea ionică poate fi utilizată la energii scăzute în intervalul de la 1 la 10 keV (160 la 1600 aJ), dar penetrarea este de doar câțiva nanometri sau mai puțin. Puterea sub aceasta duce la o deteriorare foarte mică a țintei și intră sub denumirea de depunere a fasciculului de ioni. Și se pot folosi și energii mai mari: acceleratoarele capabile de 5 MeV (800.000 aJ) sunt comune. Cu toate acestea, există adesea multe daune structurale ale țintei și, deoarece distribuția adâncimii este largă (vârful Bragg), modificarea netă a compoziției în orice punct al țintei va fi mică.

Energia ionilor, precum și diferitele tipuri de atomi și compoziția țintei, determină adâncimea de penetrare a particulelor într-un solid. Un fascicul de ioni monoenergetici are de obicei o distribuție largă de adâncime. Penetrarea medie se numește interval. LAîn condiții tipice va fi între 10 nanometri și 1 micrometru. Astfel, implantarea ionilor cu energie scăzută este deosebit de utilă în cazurile în care se dorește ca modificarea chimică sau structurală să fie aproape de suprafața țintă. Particulele își pierd treptat energia pe măsură ce trec printr-un solid, atât din ciocnirile aleatorii cu atomii țintă (care provoacă transferuri bruște de energie), cât și din decelerația ușoară de la suprapunerea orbitalilor de electroni, care este un proces continuu. Pierderea de energie a ionilor într-o țintă se numește staling și poate fi modelată folosind metoda de implantare ionică a aproximării coliziunii binare.

Sistemele de accelerație sunt, în general, clasificate în curent mediu, curent ridicat, energie mare și doză foarte semnificativă.

Toate varietățile de modele de fascicule de implantare ionică conțin anumite grupuri comune de componente funcționale. Luați în considerare exemple. Primele baze fizice și fizico-chimice ale implantării ionice includ un dispozitiv cunoscut ca sursă pentru generarea de particule. Acest dispozitiv este strâns asociat cu electrozii polarizat pentru extragerea atomilor în linia fasciculului și cel mai adesea cu unele mijloace de selectare a unor moduri specifice de transport la secțiunea principală a acceleratorului. Selectarea „masei” este adesea însoțită de trecerea fasciculului ionic extras printr-o regiune a câmpului magnetic cu o cale de ieșire limitată de găuri de blocare sau „fante” care permit numai ionii cu o anumită valoare a produsului dintre masă și viteză.. Dacă suprafaţa ţintei este mai mare decât diametrul fasciculului ionic şidacă doza implantată este distribuită mai uniform peste ea, atunci se utilizează o combinație de scanare a fasciculului și mișcarea plăcii. În cele din urmă, ținta este conectată la un mod de colectare a încărcăturii acumulate a ionilor implantați, astfel încât doza administrată să poată fi măsurată continuu și procesul oprit la nivelul dorit.

Aplicație în producția de semiconductori

Dopajul cu bor, fosfor sau arsen este o aplicație comună a acestui proces. În implantarea ionică a semiconductorilor, fiecare atom dopant poate crea un purtător de sarcină după recoacere. Puteți construi o gaură pentru un dopant de tip p și un electron de tip n. Acest lucru modifică conductivitatea semiconductorului în vecinătatea acestuia. Tehnica este folosită, de exemplu, pentru a ajusta pragul unui MOSFET.

Implantarea ionică a fost dezvoltată ca metodă de obținere a unei joncțiuni pn în dispozitivele fotovoltaice la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, împreună cu utilizarea unui fascicul de electroni pulsați pentru recoacere rapidă, deși nu a fost comercializat până în prezent.

Siliciu pe izolator

Una dintre metodele binecunoscute de producere a acestui material pe substraturi izolatoare (SOI) din substraturi convenționale de siliciu este procesul SIMOX (separare prin implantare de oxigen), în care aerul în doze mari este transformat în oxid de siliciu printr-un proces de recoacere la temperatură în altă.

Mesotaxie

Acesta este termenul pentru creșterea cristalograficfaza coincidenta sub suprafata cristalului principal. În acest proces, ionii sunt implantați la o energie și o doză suficient de mare în material pentru a crea un al doilea strat de fază, iar temperatura este controlată astfel încât structura țintă să nu fie distrusă. Orientarea cristalului a stratului poate fi proiectată pentru a se potrivi scopului, chiar dacă constanta exactă a rețelei poate fi foarte diferită. De exemplu, după implantarea ionilor de nichel într-o placă de siliciu, poate fi crescut un strat de siliciu în care orientarea cristalului se potrivește cu cea a siliciului.

Aplicație pentru finisaj metalic

Azotul sau alți ioni pot fi implantați într-o țintă din oțel pentru scule (cum ar fi un burghiu). Modificarea structurală induce comprimarea suprafeței în material, ceea ce împiedică propagarea fisurilor și astfel îl face mai rezistent la rupere.

Finisajul suprafeței

În unele aplicații, de exemplu pentru proteze precum articulațiile artificiale, este de dorit să existe o țintă care să fie foarte rezistentă atât la coroziune chimică, cât și la uzură datorată frecării. Implantarea ionică este utilizată pentru a proiecta suprafețele unor astfel de dispozitive pentru o performanță mai fiabilă. Ca și în cazul oțelurilor pentru scule, modificarea țintei cauzată de implantarea ionică include atât comprimarea suprafeței pentru a preveni propagarea fisurilor, cât și alierea pentru a o face mai rezistentă chimic la coroziune.

Alteleaplicații

Implantarea poate fi folosită pentru a realiza amestecarea fasciculelor de ioni, adică amestecarea atomilor diferitelor elemente la interfață. Acest lucru poate fi util pentru obținerea unor suprafețe gradate sau pentru îmbunătățirea aderenței între straturile de materiale nemiscibile.

Formarea nanoparticulelor

Implantarea ionică poate fi utilizată pentru a induce materiale la scară nanometrică în oxizi, cum ar fi safirul și dioxidul de siliciu. Atomii se pot forma ca urmare a precipitarii sau a formării de substanțe amestecate care conțin atât un element implantat cu ioni, cât și un substrat.

Energiile tipice ale fasciculului de ioni utilizate pentru a obține nanoparticule sunt în intervalul de la 50 la 150 keV, iar influența ionică este de la 10-16 la 10-18 kV. vezi O mare varietate de materiale pot fi formate cu dimensiuni de la 1 nm la 20 nm și cu compoziții care pot conține particule implantate, combinații care constau numai dintr-un cation legat de substrat.

Materiale pe bază de dielectrice, cum ar fi safirul, care conțin nanoparticule dispersate de implantare de ioni metalici, sunt materiale promițătoare pentru optoelectronică și optică neliniară.

Probleme

Fiecare ion individual produce multe defecte punctiforme în cristalul țintă la impact sau interstițial. Locurile libere sunt puncte de rețea care nu sunt ocupate de un atom: în acest caz, ionul se ciocnește cu atomul țintă, ceea ce duce la transferul unei cantități semnificative de energie către acesta, astfel încât acesta își părăseștecomplot. Acest obiect țintă însuși devine un proiectil într-un corp solid și poate provoca coliziuni succesive. Interstițiile apar atunci când astfel de particule se opresc într-un solid, dar nu găsesc spațiu liber în rețea pentru a trăi. Aceste defecte punctuale în timpul implantării ionice se pot migra și se pot aduna unele cu altele, ceea ce duce la formarea buclelor de dislocare și la alte probleme.

Amorfizare

Cantitatea de deteriorare cristalografică poate fi suficientă pentru a trece complet suprafața țintă, adică trebuie să devină un solid amorf. În unele cazuri, amorfizarea completă a țintei este de preferat unui cristal cu un grad ridicat de defectivitate: o astfel de peliculă poate recrește la o temperatură mai scăzută decât este necesară pentru recoacerea unui cristal grav deteriorat. Amorfizarea substratului poate apărea ca urmare a modificărilor fasciculului. De exemplu, atunci când se implantează ionii de ytriu în safir la o energie a fasciculului de 150 keV până la o fluență de 510-16 Y+/sq. cm, se formează un strat vitros de aproximativ 110 nm grosime, măsurat de la suprafața exterioară.

Spray

Unele dintre evenimentele de coliziune determină ejectarea atomilor de la suprafață și, astfel, implantarea ionică va grava încet suprafața. Efectul este vizibil doar pentru doze foarte mari.

Canal ionic

Dacă țintei se aplică o structură cristalografică, în special în substraturi semiconductoare unde este mai multeste deschis, atunci anumite direcții se opresc mult mai puțin decât altele. Rezultatul este că gama unui ion poate fi mult mai mare dacă se mișcă exact pe o anumită cale, cum ar fi în siliciu și alte materiale cubice de diamant. Acest efect se numește canalizare ionică și, ca toate efectele similare, este extrem de neliniar, cu mici abateri de la orientarea ideală, ducând la diferențe semnificative în adâncimea implantării. Din acest motiv, majoritatea rulează cu câteva grade în afara axei, unde erorile mici de aliniere vor avea efecte mai previzibile.