Ionbeültetés: koncepció, működési elv, módszerek, cél és alkalmazás

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

Az ionimplantáció egy alacsony hőmérsékletű folyamat, amelynek során egyetlen elem összetevőit felgyorsítják az ostya szilárd felületébe, megváltoztatva ezáltal annak fizikai, kémiai vagy elektromos tulajdonságait. Ezt a módszert a félvezető eszközök gyártásában és a fémmegmunkálásban, valamint az anyagtudományi kutatásokban alkalmazzák. A komponensek megváltoztathatják a lemez elemi összetételét, ha megállnak és benne maradnak. Az ionbeültetés kémiai és fizikai változásokat is okoz, amikor az atomok nagy energiájú célponttal ütköznek. A lemez kristályszerkezete károsodhat vagy akár tönkre is mehet az ütközések energiakaszkádjaitól, a kellően nagy energiájú (10 MeV) részecskék pedig magtranszmutációt okozhatnak.

Az ionbeültetés általános elve

A berendezés általában egy forrásból áll, ahol a kívánt elem atomjai képződnek, egy gyorsítóból, ahol elektrosztatikusan nagy sebességre gyorsulnak fel.energia, és célkamrák, ahol ütköznek a céllal, amely az anyag. Így ez a folyamat a részecskesugárzás speciális esete. Minden ion általában egyetlen atom vagy molekula, így a célba ültetett anyag tényleges mennyisége az ionáram időintegrálja. Ezt a számot dózisnak nevezik. Az implantátumok által szolgáltatott áramok általában kicsik (mikroamper), ezért az ésszerű időn belül beültethető mennyiség kicsi. Ezért az ionbeültetést olyan esetekben alkalmazzák, amikor a szükséges kémiai változtatások száma kicsi.

A tipikus ionenergiák 10 és 500 keV (1600 és 80 000 aJ) között vannak. Az ionimplantáció alacsony, 1-10 keV (160-1600 aJ) tartományban használható, de a penetráció csak néhány nanométer vagy kevesebb. Az ez alatti teljesítmény nagyon kis mértékben károsítja a célpontot, és az ionsugaras lerakódás elnevezés alá esik. És nagyobb energiákat is lehet használni: gyakoriak az 5 MeV-ra (800 000 aJ) képes gyorsítók. Azonban gyakran sok szerkezeti sérülés éri a célpontot, és mivel a mélységeloszlás széles (Bragg-csúcs), a nettó összetételváltozás a célpont bármely pontján kicsi lesz.

Az ionok energiája, valamint a különböző típusú atomok és a céltárgy összetétele határozza meg a részecskék szilárd anyagba való behatolásának mélységét. A monoenergetikus ionsugár általában széles mélységeloszlású. Az átlagos penetrációt tartománynak nevezzük. NÁL NÉLtipikus körülmények között 10 nanométer és 1 mikrométer között lesz. Így az alacsony energiájú ionimplantáció különösen hasznos olyan esetekben, amikor kívánatos, hogy a kémiai vagy szerkezeti változás a célfelület közelében legyen. A részecskék fokozatosan veszítenek energiájukból, amikor áthaladnak egy szilárd anyagon, mind a célatomokkal való véletlenszerű ütközésekből (amelyek hirtelen energiaátadást okoznak), mind az elektronpályák átfedéséből eredő enyhe lassulásból, ami egy folyamatos folyamat. Az ionok energiaveszteségét egy célpontban elakadásnak nevezzük, és a bináris ütközés-közelítés ionimplantációs módszerével modellezhető.

A gyorsítórendszereket általában közepes áramú, nagyáramú, nagy energiájú és nagyon jelentős dózisú kategóriába sorolják.

Az ionimplantációs sugárnyaláb-kialakítások mindegyik változata tartalmazza a funkcionális komponensek bizonyos közös csoportjait. Vegye figyelembe a példákat. Az ionbeültetés első fizikai és fizikai-kémiai alapjai egy részecskék előállítására szolgáló forrásként ismert eszköz. Ez az eszköz szorosan kapcsolódik előfeszített elektródákhoz, amelyek az atomokat a nyalábvonalba vonják ki, és leggyakrabban a gyorsító fő részéhez való szállításhoz szükséges bizonyos módok kiválasztására szolgáló eszközökkel. A "tömeg" kiválasztását gyakran kíséri a kivont ionsugár áthaladása a mágneses tér olyan tartományán, amelynek kilépési útvonalát blokkoló lyukak vagy "rések" korlátozzák, amelyek csak a tömeg és sebesség szorzatának bizonyos értékével rendelkező ionokat engedik át.. Ha a célfelület nagyobb, mint az ionnyaláb átmérője ésha a beültetett dózis egyenletesebben oszlik el rajta, akkor a nyaláb pásztázás és a lemezmozgás valamilyen kombinációját alkalmazzák. Végül a célpont valamilyen módon össze van kötve a beültetett ionok felhalmozódott töltésével, hogy a leadott dózis folyamatosan mérhető legyen, és a folyamat a kívánt szinten leálljon.

Alkalmazás a félvezetőgyártásban

A bórral, foszforral vagy arzénnel való dopping gyakori alkalmazása ennek az eljárásnak. A félvezetők ionos beültetésekor mindegyik dópoló atom töltéshordozót tud létrehozni az izzítás után. Készíthet lyukat egy p-típusú adalékanyag és egy n-típusú elektron számára. Ez megváltoztatja a félvezető vezetőképességét a közelében. Ezt a technikát például egy MOSFET küszöbértékének beállítására használják.

Az ionimplantációt a fotovoltaikus eszközök pn átmenetének létrehozására szolgáló módszerként fejlesztették ki az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején, valamint pulzáló elektronsugarat alkalmaztak a gyors lágyításhoz, bár a mai napig nem került kereskedelmi forgalomba.

Szilícium a szigetelőn

Az egyik jól ismert módszer ennek az anyagnak a hagyományos szilícium szubsztrátumokból szigetelő (SOI) szubsztrátumokon történő előállítására a SIMOX (szétválasztás oxigénbeültetéssel) eljárás, amelyben a nagy dózisú levegőt szilícium-oxiddá alakítják át magas hőmérsékletű izzítási folyamat.

Mesotaxy

Ez a kifejezés a krisztallográfiai növekedésreegybeeső fázis a főkristály felszíne alatt. Ennek során az ionokat kellően nagy energiával és dózisban ültetik be az anyagba, hogy egy második fázisréteget hozzanak létre, és a hőmérsékletet úgy szabályozzák, hogy a célszerkezet ne sérüljön meg. A réteg kristályorientációja a célnak megfelelően alakítható ki, még akkor is, ha a rácsállandó pontos értéke nagyon eltérő lehet. Például nikkelionok szilícium ostyába történő beültetése után olyan szilicidréteg növeszthető, amelyben a kristály orientációja megegyezik a szilíciuméval.

Fém felületkezelés

Nitrogén vagy más ionok beültethetők egy szerszámacél tárgyba (például egy fúróba). A szerkezeti változás felületi összenyomódást idéz elő az anyagban, ami megakadályozza a repedés továbbterjedését, és így ellenállóbbá teszi a töréssel szemben.

Felületkezelés

Egyes alkalmazásokban, például protéziseknél, például mesterséges ízületeknél, kívánatos, hogy olyan céltárgy legyen, amely nagyon ellenáll a kémiai korróziónak és a súrlódásból eredő kopásnak. Ionbeültetést alkalmaznak az ilyen eszközök felületének tervezésére a megbízhatóbb teljesítmény érdekében. A szerszámacélokhoz hasonlóan az ionbeültetés által okozott célmódosítás magában foglalja a felületi összenyomást a repedések továbbterjedésének megakadályozása érdekében, valamint az ötvözést, hogy kémiailag ellenállóbb legyen a korrózióval szemben.

Egyébalkalmazások

Az implantáció segítségével ionnyalábok keveredését, azaz különböző elemek atomjainak keveredését lehet elérni a határfelületen. Ez hasznos lehet a fokozatos felületek eléréséhez vagy a nem elegyedő anyagok rétegei közötti tapadás fokozásához.

Nanorészecskék képződése

Ionbeültetés használható nanoméretű anyagok indukálására oxidokban, például zafírban és szilícium-dioxidban. Atomok képződhetnek kicsapódás vagy vegyes anyagok képződése következtében, amelyek ion-beültetett elemet és szubsztrátot is tartalmaznak.

A nanorészecskék előállításához használt tipikus ionnyaláb energiák az 50-150 keV tartományba esnek, az ionfluencia pedig 10-16-10-18 kV. lásd Sokféle anyag állítható elő 1 nm és 20 nm közötti méretekkel és olyan kompozíciókkal, amelyek beültetett részecskéket tartalmazhatnak, olyan kombinációkat, amelyek kizárólag a szubsztrátumhoz kötött kationból állnak.

A dielektromos alapú anyagok, például a zafír, amelyek fémion-beültetés során diszpergált nanorészecskéket tartalmaznak, ígéretes anyagok az optoelektronika és a nemlineáris optika számára.

Problémák

Minden egyes ion sok ponthibát okoz a célkristályban ütközéskor vagy intersticiálisan. Az üresedések olyan rácspontok, amelyeket nem foglal el atom: ebben az esetben az ion ütközik a célatommal, ami jelentős mennyiségű energia átviteléhez vezet, így az elhagyja a célatomot.cselekmény. Ez a céltárgy maga lövedékké válik egy szilárd testben, és egymást követő ütközéseket okozhat. Hézagok akkor keletkeznek, amikor az ilyen részecskék megállnak egy szilárd testben, de nem találnak szabad helyet a rácsban, ahol élni tudnának. Ezek a ponthibák az ionimplantáció során vándorolhatnak és egymásba tömörülhetnek, ami diszlokációs hurkok kialakulásához és egyéb problémákhoz vezethet.

Amorfizálás

A krisztallográfiai sérülés mértéke elegendő lehet a célfelület teljes átmenetéhez, vagyis amorf szilárd anyaggá kell válnia. Egyes esetekben a célpont teljes amorfizálása előnyösebb, mint egy nagyfokú hibás kristály: egy ilyen film alacsonyabb hőmérsékleten tud újra növekedni, mint amennyire a súlyosan sérült kristály izzításához szükséges. Nyalábváltozások következtében a hordozó amorfizálódása következhet be. Például ittrium-ionok zafírba történő beültetésekor 150 keV sugárenergiával 510-16 Y+/sq fluenciáig. cm, a külső felülettől mérve körülbelül 110 nm vastag üveges réteg képződik.

Spray

Egyes ütközési események atomok kilökődését okozzák a felületről, és így az ionimplantáció lassan lemarja a felületet. A hatás csak nagyon nagy adagok esetén észrevehető.

Ioncsatorna

Ha krisztallográfiai struktúrát alkalmaznak a céltárgyon, különösen olyan félvezető hordozóknál, ahol többnyitva van, akkor bizonyos irányok sokkal kevésbé állnak meg, mint mások. Az eredmény az, hogy egy ion tartománya sokkal nagyobb lehet, ha pontosan egy bizonyos útvonalon mozog, például szilíciumban és más gyémánt köbös anyagokban. Ezt a hatást ioncsatornázásnak nevezik, és mint minden hasonló hatás, erősen nem lineáris, az ideális orientációtól való kis eltérések jelentős eltéréseket eredményeznek a beültetési mélységben. Emiatt a legtöbb néhány fokkal eltér a tengelytől, ahol az apró igazítási hibák jobban megjósolhatók.