Implantarea de ioni - Ion implantation
Implantarea ionică este un proces la temperatură scăzută prin care ionii unui element sunt accelerați într-o țintă solidă, schimbând astfel proprietățile fizice, chimice sau electrice ale țintei. Implantarea de ioni este utilizată în fabricarea dispozitivelor cu semiconductori și în finisarea metalelor, precum și în cercetarea științei materialelor . Ionii pot modifica compoziția elementară a țintei (dacă ionii diferă în compoziție față de țintă) dacă se opresc și rămân în țintă. Implantarea de ioni provoacă, de asemenea, modificări chimice și fizice atunci când ionii afectează ținta cu energie ridicată. Structura cristalină a țintei poate fi deteriorată sau chiar distrusă de cascadele de coliziune energetică , iar ionii de energie suficient de mare (10s de MeV) pot provoca transmutația nucleară .
Principiu general
Echipamentul de implantare a ionilor constă în mod obișnuit dintr-o sursă de ioni , în care sunt produși ioni ai elementului dorit, un accelerator , în care ionii sunt accelerați electrostatic la o energie ridicată și o cameră țintă, în care ionii afectează o țintă, care este materialul să fie implantat. Astfel, implantarea ionică este un caz special de radiație a particulelor . Fiecare ion este de obicei un singur atom sau moleculă și, prin urmare, cantitatea reală de material implantată în țintă este integrala în timp a curentului de ioni. Această cantitate se numește doză. Curenții furnizați de implanturi sunt de obicei mici (microamperi) și, prin urmare, doza care poate fi implantată într-un timp rezonabil este mică. Prin urmare, implantarea de ioni își găsește aplicarea în cazurile în care cantitatea de schimbare chimică necesară este mică.
Energiile ionice tipice sunt cuprinse între 10 și 500 keV (1.600 până la 80.000 aJ). Se pot utiliza energii cuprinse între 1 și 10 keV (160 până la 1.600 aJ), dar rezultă o penetrare de doar câțiva nanometri sau mai puțin. Energiile mai mici decât aceasta duc la deteriorarea foarte mică a țintei și intră sub denumirea de depunere a fasciculului de ioni . Pot fi folosite și energii superioare: acceleratorii capabili de 5 MeV (800.000 aJ) sunt obișnuiți. Cu toate acestea, există adesea mari daune structurale asupra țintei și, deoarece distribuția adâncimii este largă ( vârful Bragg ), modificarea compoziției nete în orice punct al țintei va fi mică.
Energia ionilor, precum și speciile de ioni și compoziția țintei determină adâncimea de penetrare a ionilor în solid: Un fascicul de ioni monoenergetici va avea, în general, o distribuție largă a adâncimii. Adâncimea medie de penetrare se numește intervalul ionilor. În circumstanțe tipice intervalele ionice vor fi cuprinse între 10 nanometri și 1 micrometru. Astfel, implantarea de ioni este utilă în special în cazurile în care se dorește ca schimbarea chimică sau structurală să fie aproape de suprafața țintei. Ionii își pierd treptat energia pe măsură ce călătoresc prin solid, atât din cauza coliziunilor ocazionale cu atomii țintă (care provoacă transferuri bruște de energie), cât și din cauza unei trăsături ușoare din suprapunerea orbitalilor de electroni, care este un proces continuu. Pierderea de energie ionică în țintă se numește oprire și poate fi simulată cu metoda de aproximare a coliziunii binare .
Sistemele de accelerare pentru implantarea ionilor sunt clasificate în general în curent mediu (curenți de fascicul de ioni între 10 μA și ~ 2 mA), curent mare (curenți de fascicul de ioni de până la ~ 30 mA), energie ridicată (energii ionice peste 200 keV și până la 10 MeV ) și doză foarte mare (implant eficient de doză mai mare de 10 16 ioni / cm 2 ).
Toate varietățile de modele de implantare a ionilor conțin anumite grupuri generale de componente funcționale (a se vedea imaginea). Primul segment major al unei linii de fascicule de ioni include un dispozitiv cunoscut sub numele de sursă de ioni pentru a genera specia de ioni. Sursa este strâns cuplată cu electrozi polarizați pentru extragerea ionilor în linia fasciculului și cel mai adesea cu unele mijloace de selectare a unei specii de ioni anume pentru transport în secțiunea principală a acceleratorului. Selecția „masă” este adesea însoțită de trecerea fasciculului de ioni extras printr-o regiune a câmpului magnetic cu o cale de ieșire restricționată prin deschideri de blocare sau „fante”, care permit numai ioni cu o valoare specifică a produsului de masă și viteză / încărcați pentru a continua în jos pe linia fasciculului. Dacă suprafața țintă este mai mare decât diametrul fasciculului de ioni și se dorește o distribuție uniformă a dozei implantate pe suprafața țintă, atunci se utilizează o combinație de scanare a fasciculului și mișcarea plăcii. În cele din urmă, suprafața implantată este cuplată cu o metodă de colectare a încărcăturii acumulate a ionilor implantați, astfel încât doza livrată să poată fi măsurată în mod continuu și procesul de implantare oprit la nivelul dozei dorite.
Aplicare în fabricarea dispozitivelor semiconductoare
Dopajul
Dopajul semiconductor cu bor, fosfor sau arsen este o aplicație obișnuită a implantării ionice. Când este implantat într-un semiconductor, fiecare atom dopant poate crea un purtător de sarcină în semiconductor după recoacere . Se poate crea o gaură pentru un dopant de tip p și un electron pentru un dopant de tip n. Aceasta modifică conductivitatea semiconductorului în vecinătatea sa. Tehnica este utilizată, de exemplu, pentru reglarea tensiunii de prag a unui MOSFET .
Implantarea de ioni a fost dezvoltată ca metodă de producere a joncțiunii pn a dispozitivelor fotovoltaice la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, împreună cu utilizarea fasciculului de electroni pulsat pentru recoacere rapidă, deși până în prezent nu a fost utilizată pentru producția comercială.
Siliciul pe izolator
O metodă proeminentă pentru prepararea siliconului pe substraturi izolatoare (SOI) din substraturile convenționale de siliciu este procesul SIMOX (separarea prin implantarea oxigenului), în care un implant de oxigen în doză mare îngropat este transformat în oxid de siliciu printr-un proces de recoacere la temperatură ridicată .
Mesotaxie
Mesotaxia este termenul pentru creșterea unei faze de potrivire cristalografică sub suprafața cristalului gazdă (comparativ cu epitaxia , care este creșterea fazei de potrivire pe suprafața unui substrat). În acest proces, ionii sunt implantați la o energie și o doză suficient de mari într-un material pentru a crea un strat dintr-o a doua fază, iar temperatura este controlată astfel încât structura cristalină a țintei să nu fie distrusă. Orientarea cristalului stratului poate fi proiectată pentru a se potrivi cu cea a țintei, chiar dacă structura cristalină exactă și constanta rețelei pot fi foarte diferite. De exemplu, după implantarea ionilor de nichel într-o placă de siliciu, poate fi cultivat un strat de silicură de nichel în care orientarea cristalului silicidei se potrivește cu cea a siliciului.
Aplicare în finisarea metalelor
Întărirea oțelului pentru scule
Azotul sau alți ioni pot fi implantați într-o țintă de oțel pentru scule (burghie, de exemplu). Schimbarea structurală cauzată de implantare produce o compresie de suprafață în oțel, care previne propagarea fisurilor și astfel face ca materialul să fie mai rezistent la fractură. Schimbarea chimică poate face, de asemenea, instrumentul mai rezistent la coroziune.
Finisarea suprafețelor
În unele aplicații, de exemplu dispozitive protetice, cum ar fi îmbinările artificiale, se dorește să existe suprafețe foarte rezistente atât la coroziune chimică, cât și la uzură datorită fricțiunii. Implantarea de ioni este utilizată în astfel de cazuri pentru a proiecta suprafețele unor astfel de dispozitive pentru performanțe mai fiabile. Ca și în cazul oțelurilor pentru scule, modificarea suprafeței cauzată de implantarea ionului include atât o compresie a suprafeței care previne propagarea fisurilor, cât și o aliere a suprafeței pentru ao face mai rezistentă chimic la coroziune.
Alte aplicații
Amestecarea fasciculului de ioni
Implantarea de ioni poate fi utilizată pentru a realiza amestecarea fasciculului de ioni , adică amestecarea atomilor diferitelor elemente la o interfață. Acest lucru poate fi util pentru realizarea interfețelor gradate sau consolidarea aderenței între straturile de materiale nemiscibile.
Formarea nanoparticulelor indusă de implantarea ionului
Implantarea de ioni poate fi utilizată pentru a induce particule nano-dimensionale în oxizi precum safir și silice . Particulele pot fi formate ca rezultat al precipitării speciei implantate cu ioni, pot fi formate ca rezultat al producerii unei specii mixte de oxid care conține atât elementul implantat cu ion cât și substratul de oxid și pot fi formate ca un rezultat al reducerii substratului, raportat pentru prima dată de Hunt și Hampikian. Energiile tipice ale fasciculului de ioni utilizate pentru producerea nanoparticulelor variază între 50 și 150 keV, cu fluențe ionice care variază între 10 16 și 10 18 ioni / cm 2 . Tabelul de mai jos rezumă o parte din lucrările care s-au făcut în acest domeniu pentru un substrat de safir. Se poate forma o mare varietate de nanoparticule, cu dimensiuni cuprinse între 1 nm și până la 20 nm și cu compoziții care pot conține speciile implantate, combinații de ion și substrat implantat, sau care sunt cuprinse numai din cationul asociat cu substratul .
Materialele compozite bazate pe dielectrice precum safirul care conțin nanoparticule metalice dispersate sunt materiale promițătoare pentru optoelectronică și optică neliniară .
| Specii implantate | Substrat | Ion Beam Energy (keV) | Fluență (ioni / cm 2 ) | Tratament termic după implantare | Rezultat | Sursă | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Produce oxizi care conțin ionul implantat | Co | Al 2 O 3 | 65 | 5 * 10 17 | Recuplare la 1400 ° C | Formează spinel Al 2 CoO 4 | |
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2 * 10 17 | Recocire la 1000 ° C în mediu oxidant | Formează spinel Al 2 CoO 4 | ||
| Mg | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | Formulare mGal 2 O 4 trombocite | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1 * 10 17 | Recoacerea în O 2 atmosfere la 1000 ° C timp de 1 oră | Se formează nanoparticule SnO 2 de 30 nm | ||
| Zn | α-Al 2 O 3 | 48 | 1 * 10 17 | Recuocare în atmosferă de O 2 la 600 ° C | Se formează nanoparticule ZnO | ||
| Zr | Al 2 O 3 | 65 | 5 * 10 17 | Recuplare la 1400 ° C | ZrO 2 formă precipitatele | ||
| Produce nanoparticule metalice din specii implantate | Ag | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Calire de la 600 ° C până la 1100 ° C în oxidare, reducere, Ar sau N 2 atmosfere | Nanoparticule de Ag în matricea Al 2 O 3 | |
| Au | α-Al 2 O 3 | 160 | 0,6 * 10 17 , 1 * 10 16 | 1 oră la 800 ° C în aer | Nanoparticule au în matricea Al 2 O 3 | ||
| Au | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Calire de la 600 ° C până la 1100 ° C în oxidare, reducere, Ar sau N 2 atmosfere | Nanoparticule au în matricea Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | <5 * 10 16 | Recuplare la 1000 ° C | Co nanoparticule în matricea Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2 * 10 17 | Recuplare la 1000 ° C în reducerea mediului ambiant | Precipitațiile metalice Co | ||
| Fe | α-Al 2 O 3 | 160 | 1 * 10 16 până la 2 * 10 17 | Recomandare timp de 1 oră de la 700 ° C la 1500 ° C în ambiant reductor | Nanocompozite Fe | ||
| Ni | α-Al 2 O 3 | 64 | 1 * 10 17 | --- | 1-5 nm nanoparticule de Ni | ||
| Si | α-Al 2 O 3 | 50 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Recuplare la 500 ° C sau 1000 ° C timp de 30 de minute | Nanoparticule de Si în Al 2 O 3 | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1 * 10 17 | --- | Nanoparticule Sn tetragonale de 15 nm | ||
| Ti | α-Al 2 O 3 | 100 | <5 * 10 16 | Recuplare la 1000 ° C | Nanoparticule de Ti în Al 2 O 3 | ||
| Produce nanoparticule metalice din substrat | Ca | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | Al nanoparticule în matrice amorfă conținând Al 2 O 3 si CaO | |
| Da | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | 10,7 ± 1,8 nm Particule de Al în matrice amorfă conținând Al 2 O 3 și Y 2 O 3 | ||
| Da | Al 2 O 3 | 150 | 2,5 * 10 16 | --- | 9,0 ± 1,2 nm particule de Al în matrice amorfă care conțin Al 2 O 3 și Y 2 O 3 |
Probleme cu implantarea ionilor
Daune cristalografice
Fiecare ion individual produce multe defecte punctuale în cristalul țintă la impact, cum ar fi posturile vacante și interstițiale. Locurile libere sunt puncte de rețea cristalină neocupate de un atom: în acest caz ionul se ciocnește cu un atom țintă, rezultând transferul unei cantități semnificative de energie către atomul țintă, astfel încât acesta să părăsească site-ul său de cristal. Acest atom țintă devine apoi el însuși un proiectil în solid și poate provoca evenimente de coliziune succesive . Interstitialele rezultă atunci când astfel de atomi (sau ionul original în sine) ajung să se odihnească în solid, dar nu găsesc spațiu liber în rețea pentru a locui. Aceste defecte punctuale pot migra și se pot grupa între ele, rezultând bucle de dislocare și alte defecte.
Recuperarea daunelor
Deoarece implantarea ionică cauzează deteriorarea structurii cristaline a țintei care este adesea nedorită, procesarea implantării ionice este adesea urmată de o recoacere termică. Aceasta poate fi denumită recuperarea daunelor.
Amorfizarea
Cantitatea de daune cristalografice poate fi suficientă pentru a amorfiza complet suprafața țintei: adică poate deveni un solid amorf (un astfel de solid produs dintr-un topit se numește sticlă ). În unele cazuri, amorfizarea completă a unei ținte este preferabilă unui cristal foarte defect: Un film amorfat poate fi regrown la o temperatură mai scăzută decât este necesară pentru a recoace un cristal foarte deteriorat. Amorfizarea substratului poate apărea ca urmare a deteriorării fasciculului. De exemplu, ytriu ion implantare în safir la o energie a fasciculului de ioni de 150 keV la o fluență de 5 * 10 16 Y + / cm 2 produce un strat amorf sticlos aproximativ 110 nm în grosime, măsurată de la suprafața exterioară. [Hunt, 1999]
Sputtering
Unele dintre evenimentele de coliziune au ca rezultat expulzarea ( pulverizarea ) atomilor de pe suprafață și, astfel, implantarea ionilor va răni încet o suprafață. Efectul este apreciat doar pentru doze foarte mari.
Canalizarea ionică
Dacă există o structură cristalografică către țintă, și mai ales în substraturile semiconductoare unde structura cristalină este mai deschisă, direcțiile cristalografice particulare oferă o oprire mult mai mică decât alte direcții. Rezultatul este că intervalul unui ion poate fi mult mai lung dacă ionul se deplasează exact de-a lungul unei anumite direcții, de exemplu direcția <110> în siliciu și alte materiale cubice diamantate . Acest efect se numește canalizare ionică și, la fel ca toate efectele de canalizare , este foarte neliniar, cu mici variații de la orientarea perfectă, rezultând diferențe extreme în profunzimea implantării. Din acest motiv, cea mai mare parte a implantării se efectuează la câteva grade în afara axei, unde erorile de aliniere mici vor avea efecte mai previzibile.
Canalizarea ionică poate fi utilizată direct în retrodifuzarea Rutherford și tehnicile conexe ca metodă analitică pentru a determina cantitatea și profilul de adâncime al deteriorării materialelor cu film subțire cristaline.
Siguranță
Materiale periculoase
La fabricarea napolitanelor , materiale toxice precum arsina și fosfina sunt adesea utilizate în procesul de implantare a ionilor. Alte elemente cancerigene , corozive , inflamabile sau toxice comune includ antimoniul , arsenicul , fosforul și borul . Instalațiile de fabricare a semiconductoarelor sunt extrem de automatizate, dar reziduurile de elemente periculoase din mașini pot fi întâlnite în timpul întreținerii și în hardware-ul pompei de vid .
Tensiuni ridicate și acceleratoare de particule
Sursele de alimentare de înaltă tensiune utilizate în acceleratoarele de ioni necesare pentru implantarea ionului pot prezenta un risc de rănire electrică . În plus, coliziile atomice de mare energie pot genera raze X și, în unele cazuri, alte radiații ionizante și radionuclizi . În plus față de tensiunea înaltă, acceleratoarele de particule , cum ar fi acceleratoarele de particule liniare cu frecvență radio și acceleratoarele cu plasmă laser wakefield prezintă alte pericole.