Йонна имплантация: концепция, принцип на действие, методи, предназначение и приложение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Йонната имплантация е процес с ниска температура, при който компонентите на един елемент се ускоряват в твърдата повърхност на пластина, като по този начин се променят нейните физически, химични или електрически свойства. Този метод се използва при производството на полупроводникови устройства и при довършителни работи на метали, както и в материалознанието. Компонентите могат да променят елементния състав на плочата, ако спрат и останат в нея. Йонната имплантация също причинява химични и физични промени, когато атомите се сблъскат с цел с висока енергия. Кристалната структура на плочата може да бъде повредена или дори унищожена от енергийни каскади от сблъсъци, а частици с достатъчно висока енергия (10 MeV) могат да причинят ядрена трансмутация.

Общ принцип на йонна имплантация

Оборудването обикновено се състои от източник, където се образуват атоми на желания елемент, ускорител, където те се ускоряват електростатично до високоенергия и целеви камери, където се сблъскват с целта, която е материалът. По този начин този процес е специален случай на излъчване на частици. Всеки йон обикновено е единичен атом или молекула и по този начин действителното количество материал, имплантиран в целта, е времевият интеграл от йонния ток. Това число се нарича доза. Токовете, доставяни от имплантите, обикновено са малки (микроампера) и следователно количеството, което може да бъде имплантирано за разумен период от време, е малко. Следователно йонната имплантация се използва в случаите, когато броят на необходимите химически промени е малък.

Типичните йонни енергии варират от 10 до 500 keV (1600 до 80000 aJ). Йонната имплантация може да се използва при ниски енергии в диапазона от 1 до 10 keV (160 до 1600 aJ), но проникването е само няколко нанометра или по-малко. Мощността под тази води до много малко увреждане на целта и попада под обозначението за отлагане на йонен лъч. Могат да се използват и по-високи енергии: често срещани са ускорители, способни на 5 MeV (800 000 aJ). Въпреки това, често има много структурни повреди на целта и тъй като разпределението на дълбочината е широко (пик на Браг), нетната промяна в състава във всяка точка на целта ще бъде малка.

Енергията на йоните, както и различните видове атоми и състава на целта, определят дълбочината на проникване на частиците в твърдо вещество. Моноенергийният йонен лъч обикновено има широко разпределение в дълбочината. Средното проникване се нарича диапазон. ATпри типични условия ще бъде между 10 нанометра и 1 микрометър. По този начин, нискоенергийната йонна имплантация е особено полезна в случаите, когато се желае химическата или структурна промяна да бъде близо до целевата повърхност. Частиците постепенно губят енергията си, докато преминават през твърдо тяло, както от случайни сблъсъци с целеви атоми (които причиняват рязко прехвърляне на енергия), така и от леко забавяне от припокриването на електронните орбитали, което е непрекъснат процес. Загубата на енергия на йони в мишена се нарича спиране и може да бъде моделирана с помощта на метода на йонна имплантация на приближението на бинарния сблъсък.

Ускорителните системи обикновено се класифицират на среден ток, висок ток, висока енергия и много значителна доза.

Всички разновидности на йонни имплантационни лъчи съдържат определени общи групи от функционални компоненти. Помислете за примери. Първите физични и физико-химични основи на йонната имплантация включват устройство, известно като източник за генериране на частици. Това устройство е тясно свързано с отклонени електроди за извличане на атоми в линията на лъча и най-често с някои средства за избор на специфични режими за транспортиране до основната секция на ускорителя. Изборът на "маса" често е придружен от преминаването на извлечения йонен лъч през област на магнитно поле с изходен път, ограничен от блокиращи отвори или "прорези", които позволяват само йони с определена стойност на произведението на масата и скоростта. Ако целевата повърхност е по-голяма от диаметъра на йонния лъч иако имплантираната доза е по-равномерно разпределена върху нея, тогава се използва някаква комбинация от сканиране на лъча и движение на пластината. И накрая, целта е свързана с някакъв начин за събиране на натрупания заряд от имплантираните йони, така че доставената доза да може да се измерва непрекъснато и процесът да спре на желаното ниво.

Приложение в производството на полупроводници

Допингът с бор, фосфор или арсен е често срещано приложение на този процес. При йонно имплантиране на полупроводници всеки допантов атом може да създаде носител на заряд след отгряване. Можете да построите дупка за р-тип добавка и n-тип електрон. Това променя проводимостта на полупроводника в близост до него. Техниката се използва например за регулиране на прага на MOSFET.

Йонната имплантация е разработена като метод за получаване на pn преход във фотоволтаични устройства в края на 70-те и началото на 1980-те, заедно с използването на импулсен електронен лъч за бързо отгряване, въпреки че досега не е комерсиализиран.

Силиций върху изолатор

Един от добре познатите методи за производство на този материал върху изолатор (SOI) субстрати от конвенционални силициеви субстрати е SIMOX (сепариране чрез кислородно имплантиране) процес, при който въздух с висока доза се превръща в силициев оксид чрез процес на високотемпературно отгряване.

Мезотаксия

Това е терминът за кристалографски растежсъвпадаща фаза под повърхността на основния кристал. При този процес йони се имплантират с достатъчно висока енергия и доза в материала, за да се създаде втори фазов слой, а температурата се контролира, така че целевата структура да не се разрушава. Кристалната ориентация на слоя може да бъде проектирана така, че да отговаря на целта, дори ако точната константа на решетката може да бъде много различна. Например, след имплантиране на никелови йони в силициева пластина, може да се отгледа слой силицид, в който кристалната ориентация съвпада с тази на силиция.

Приложение за метално покритие

Азот или други йони могат да бъдат имплантирани в мишена от инструментална стомана (като бормашина). Структурната промяна предизвиква повърхностна компресия в материала, което предотвратява разпространението на пукнатини и по този начин го прави по-устойчив на счупване.

Повърхностно покритие

В някои приложения, например за протези като изкуствени стави, е желателно да има мишена, която е силно устойчива както на химическа корозия, така и на износване поради триене. Йонната имплантация се използва за проектиране на повърхностите на такива устройства за по-надеждна работа. Както при инструменталните стомани, модификацията на целта, причинена от йонна имплантация, включва както повърхностна компресия, за да се предотврати разпространението на пукнатини, така и легиране, за да се направи по-химически устойчива на корозия.

Другиприложения

Имплантацията може да се използва за постигане на смесване на йонни лъчи, тоест смесване на атоми на различни елементи в интерфейса. Това може да бъде полезно за постигане на градуирани повърхности или за подобряване на адхезията между слоевете от несмесващи се материали.

Образуване на наночастици

Йонната имплантация може да се използва за индуциране на наномащабни материали в оксиди като сапфир и силициев диоксид. Атомите могат да се образуват в резултат на утаяване или образуване на смесени вещества, които съдържат както йонно имплантиран елемент, така и субстрат.

Типичните енергии на йонния лъч, използвани за получаване на наночастици, са в диапазона от 50 до 150 keV, а йонният флуенс е от 10-16 до 10-18 kV. виж Голямо разнообразие от материали могат да се образуват с размери от 1 nm до 20 nm и със състави, които могат да съдържат имплантирани частици, комбинации, които се състоят единствено от катион, свързан към субстрата.

Материали на основата на диелектрик като сапфир, които съдържат диспергирани наночастици от имплантиране на метални йони, са обещаващи материали за оптоелектрониката и нелинейната оптика.

Проблеми

Всеки отделен йон произвежда много точкови дефекти в целевия кристал при удар или интерстициален удар. Свободните места са точки на решетка, които не са заети от атом: в този случай йонът се сблъсква с целевия атом, което води до прехвърляне на значително количество енергия към него, така че той напуска свояпарцел. Този целеви обект сам по себе си се превръща в снаряд в твърдо тяло и може да причини последователни сблъсъци. Интерстици възникват, когато такива частици спират в твърдо тяло, но не намират свободно пространство в решетката, в което да живеят. Тези точкови дефекти по време на йонна имплантация могат да мигрират и да се групират един с друг, което води до образуване на бримки на дислокация и други проблеми.

Аморфизация

Размерът на кристалографските повреди може да е достатъчен за пълно преминаване на целевата повърхност, тоест тя трябва да се превърне в аморфно твърдо вещество. В някои случаи пълната аморфизация на мишената е за предпочитане пред кристал с висока степен на дефектност: такъв филм може да расте отново при по-ниска температура, отколкото е необходима за отгряване на силно повреден кристал. Аморфизацията на субстрата може да възникне в резултат на промени в лъча. Например, при имплантиране на итриеви йони в сапфир при енергия на лъча от 150 keV до поток от 510-16 Y+/sq. cm, се образува стъкловиден слой с дебелина приблизително 110 nm, измерена от външната повърхност.

Спрей

Някои от събитията на сблъсък причиняват изхвърляне на атоми от повърхността и по този начин йонната имплантация бавно ще издълбае повърхността. Ефектът е забележим само при много големи дози.

Йонен канал

Ако кристалографска структура е приложена към целта, особено в полупроводникови субстрати, където е повечее отворен, тогава конкретни посоки спират много по-малко от други. Резултатът е, че обхватът на един йон може да бъде много по-голям, ако се движи точно по определен път, като например в силиций и други диамантени кубични материали. Този ефект се нарича йонно канализиране и като всички подобни ефекти е силно нелинеен, с малки отклонения от идеалната ориентация, което води до значителни разлики в дълбочината на имплантиране. Поради тази причина повечето се движат на няколко градуса извън оста, където малки грешки в подравняването ще имат по-предвидим ефект.