Ioonide implanteerimine: kontseptsioon, tööpõhimõte, meetodid, eesmärk ja rakendus

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Ioonide implanteerimine on madalatemperatuuriline protsess, mille käigus ühe elemendi komponendid kiirendatakse vahvli tahkele pinnale, muutes seeläbi selle füüsikalisi, keemilisi või elektrilisi omadusi. Seda meetodit kasutatakse pooljuhtseadmete tootmisel ja metallide viimistlemisel, samuti materjaliteaduse uurimisel. Komponendid võivad muuta plaadi elementaarset koostist, kui nad peatuvad ja jäävad sellesse. Ioonide siirdamine põhjustab ka keemilisi ja füüsikalisi muutusi, kui aatomid põrkuvad suure energiaga sihtmärgiga. Plaadi kristallilist struktuuri võivad kokkupõrgete energiakaskaadid kahjustada või isegi hävitada ning piisav alt kõrge energiaga (10 MeV) osakesed võivad põhjustada tuumatransmutatsiooni.

Ioonide implanteerimise üldpõhimõte

Seadmed koosnevad tavaliselt allikast, kus moodustuvad soovitud elemendi aatomid, kiirendist, kus need kiirendatakse elektrostaatiliselt kõrgeleenergia ja sihtkambrid, kus nad põrkuvad sihtmärgiga, milleks on materjal. Seega on see protsess osakeste kiirguse erijuhtum. Iga ioon on tavaliselt üks aatom või molekul ja seega on sihtmärki siirdatud materjali tegelik kogus ioonivoolu ajaintegraal. Seda numbrit nimetatakse annuseks. Implantaatide poolt antavad voolud on tavaliselt väikesed (mikroamprid) ja seetõttu on mõistliku aja jooksul implanteeritav kogus väike. Seetõttu kasutatakse ioonide implanteerimist juhtudel, kui vajalike keemiliste muutuste arv on väike.

Tüüpilised ioonide energiad jäävad vahemikku 10–500 keV (1600–80 000 aJ). Ioonide implanteerimist saab kasutada madala energiaga vahemikus 1–10 keV (160–1600 aJ), kuid läbitung on vaid mõni nanomeeter või vähem. Sellest allapoole jääv võimsus kahjustab sihtmärki väga vähe ja kuulub ioonkiirsadestamise tähistuse alla. Ja kasutada saab ka suuremaid energiaid: levinud on 5 MeV (800 000 aJ) võimelised kiirendid. Siiski on sihtmärgil sageli palju struktuurseid kahjustusi ja kuna sügavuse jaotus on lai (Braggi tipp), on koostise puhasmuutus sihtmärgi mis tahes punktis väike.

Ioonide energia, aga ka erinevat tüüpi aatomid ja sihtmärgi koostis määravad osakeste tahkesse ainesse tungimise sügavuse. Monoenergeetilisel ioonkiirel on tavaliselt lai sügavusjaotus. Keskmist läbitungimist nimetatakse vahemikuks. ATtüüpilistes tingimustes on see vahemikus 10 nanomeetrit kuni 1 mikromeetrini. Seega on madala energiaga ioonide implanteerimine eriti kasulik juhtudel, kui soovitakse, et keemiline või struktuurne muutus oleks sihtpinna lähedal. Osakesed kaotavad järk-järgult oma energiat, kui nad läbivad tahket ainet, nii juhuslikest kokkupõrgetest sihtaatomitega (mis põhjustavad järske energiaülekandeid) kui ka elektronide orbitaalide kattumisest tingitud kergest aeglustumisest, mis on pidev protsess. Ioonide energiakadu sihtmärgis nimetatakse seiskumiseks ja seda saab modelleerida, kasutades kahendkokkupõrke lähenduse ioonide siirdamise meetodit.

Kiirendussüsteemid liigitatakse üldiselt keskmise voolu, suure voolutugevuse, suure energiaga ja väga olulise doosi järgi.

Kõik ioonimplantatsioonikiirte konstruktsioonid sisaldavad teatud ühiseid funktsionaalsete komponentide rühmi. Kaaluge näiteid. Ioonide implanteerimise esimesed füüsikalised ja füüsikalis-keemilised alused hõlmavad seadet, mida tuntakse osakeste genereerimise allikana. See seade on tihed alt seotud kallutatud elektroodidega, et eraldada aatomid kiiresse joont, ja enamasti mõne vahendiga, mis võimaldab valida konkreetsed transpordiviisid kiirendi põhiosasse transportimiseks. "Massi" valikuga kaasneb sageli ekstraheeritud ioonikiire läbimine magnetvälja piirkonnast, mille väljumistee on piiratud blokeerivate aukude või "piludega", mis lubavad ainult ioone, mille massi ja kiiruse korrutis on teatud väärtusega.. Kui sihtpind on suurem kui ioonkiire läbimõõt jakui implanteeritud doos jaotub selle peale ühtlasem alt, siis kasutatakse mingit kiirskaneerimise ja plaadi liikumise kombinatsiooni. Lõpuks on sihtmärk ühendatud implanteeritud ioonide kogunenud laengu kogumise viisiga, nii et manustatud annust saab pidev alt mõõta ja protsess peatada soovitud tasemel.

Kasutusala pooljuhtide tootmises

Selle protsessi tavaline rakendus on boori, fosfori või arseeniga doping. Pooljuhtide ioonide implanteerimisel võib iga lisandi aatom pärast lõõmutamist luua laengukandja. Saate ehitada augu p-tüüpi lisandi ja n-tüüpi elektroni jaoks. See muudab pooljuhi juhtivust selle läheduses. Seda tehnikat kasutatakse näiteks MOSFET-i läve reguleerimiseks.

Ioonide implanteerimine töötati välja 1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses fotogalvaanilistes seadmetes pn-siirde saamiseks koos impulss-elektronkiire kasutamisega kiireks lõõmutamiseks, kuigi seda ei ole siiani turustatud.

Räni isolaatoril

Üks tuntud meetoditest selle materjali tootmiseks isolaatori (SOI) substraatidel tavapärastest ränisubstraatidest on SIMOX-protsess (eraldamine hapnikuimplantatsiooni abil), mille käigus suures annuses õhk muundatakse ränioksiidiks. kõrgel temperatuuril anniilimisprotsess.

Mesotaxy

See termin tähistab kristallograafilist kasvukokkulangev faas põhikristalli pinna all. Selle protsessi käigus implanteeritakse materjalisse piisav alt suure energia ja doosiga ioone, et tekiks teine faasikiht, ning temperatuuri kontrollitakse nii, et sihtstruktuur ei häviks. Kihi kristallide orientatsiooni saab kujundada eesmärgipäraselt, isegi kui täpne võrekonstant võib olla väga erinev. Näiteks pärast nikliioonide siirdamist räniplaadile saab kasvatada silitsiidkihi, mille kristallide orientatsioon ühtib räni omaga.

Metallviimistluse pealekandmine

Lämmastikku või muid ioone saab implanteerida tööriistaterasest sihtmärki (nt puuri). Struktuurimuutus kutsub esile materjali pinna kokkusurumise, mis takistab pragude levikut ja muudab materjali murdumiskindlamaks.

Pinnaviimistlus

Mõnes rakenduses, näiteks proteeside, näiteks kunstliigeste puhul, on soovitav sihtmärk, mis on väga vastupidav nii keemilisele korrosioonile kui ka hõõrdumisest tingitud kulumisele. Ioonimplantatsiooni kasutatakse selliste seadmete pindade kujundamiseks usaldusväärsemaks jõudluseks. Nagu tööriistateraste puhul, hõlmab ioonide implanteerimisest põhjustatud sihtmärgi muutmine nii pinna kokkusurumist, et vältida pragude levikut, kui ka legeerimist, et muuta see keemiliselt korrosioonikindlamaks.

Muurakendused

Implantatsiooni saab kasutada ioonikiirte segunemise saavutamiseks, st erinevate elementide aatomite segunemiseks liideses. See võib olla kasulik gradueeritud pindade saavutamiseks või segunematute materjalide kihtide vahelise haardumise parandamiseks.

Nanoosakeste teke

Ioonide implanteerimist saab kasutada nanomõõtmeliste materjalide indutseerimiseks oksiidides, nagu safiir ja ränidioksiid. Aatomid võivad tekkida sadestumise või segaainete moodustumise tulemusena, mis sisaldavad nii iooniga siirdatud elementi kui ka substraati.

Tüüpilised nanoosakeste saamiseks kasutatavad ioonkiire energiad jäävad vahemikku 50–150 keV ja ioonide voolavus on 10–16–10–18 kV. vt Väga erinevaid materjale saab moodustada suurustega 1 nm kuni 20 nm ja koostisi, mis võivad sisaldada siirdatud osakesi, kombinatsioone, mis koosnevad ainult substraadiga seotud katioonist.

Dielektrikal põhinevad materjalid, nagu safiir, mis sisaldavad metalliioonide implantaadi hajutatud nanoosakesi, on optoelektroonika ja mittelineaarse optika jaoks paljulubavad materjalid.

Probleemid

Iga individuaalne ioon tekitab kokkupõrkel või interstitsialis sihtkristallides palju punktdefekte. Vabad kohad on võrepunktid, mida aatom ei hõivata: sel juhul põrkub ioon sihtaatomiga, mis viib sellele märkimisväärse koguse energia ülekandumiseni, nii et see lahkub oma aatomist.süžee. See sihtobjekt ise muutub tahkes kehas mürsuks ja võib põhjustada järjestikuseid kokkupõrkeid. Vahed tekivad siis, kui sellised osakesed peatuvad tahkes aines, kuid ei leia võres elamiseks vaba ruumi. Need punktidefektid ioonide implanteerimise ajal võivad migreeruda ja üksteisega koonduda, põhjustades dislokatsioonisilmuste teket ja muid probleeme.

Amorfiseerimine

Kristallograafiliste kahjustuste suurus võib olla piisav sihtpinna täielikuks üleminekuks, see tähendab, et see peab muutuma amorfseks tahkeks aineks. Mõnel juhul on sihtmärgi täielik amorfiseerimine eelistatavam kui suure defektiga kristall: selline kile võib uuesti kasvada madalamal temperatuuril, kui on vaja tugev alt kahjustatud kristalli lõõmutamiseks. Aluspinna amorfiseerumine võib toimuda kiirte muutuste tagajärjel. Näiteks ütriumioonide implanteerimisel safiiri sisse kiirte energiaga 150 keV kuni voolutugevuseni 510-16 Y+/sq. cm, moodustub välispinnast mõõdetuna ligikaudu 110 nm paksune klaasjas kiht.

Sprei

Mõned kokkupõrked põhjustavad aatomite pinn alt paiskumise ja seega söövitab ioonide implantatsioon pinna aeglaselt ära. Mõju on märgatav ainult väga suurte annuste puhul.

Ioonkanal

Kui sihtmärgile rakendatakse kristallograafilist struktuuri, eriti pooljuhtsubstraatide puhul, kus see on rohkemon avatud, siis konkreetsed juhised peatuvad palju vähem kui teised. Tulemuseks on see, et iooni ulatus võib olla palju suurem, kui see liigub täpselt teatud rada pidi, näiteks ränis ja muudes teemantkuupmaterjalides. Seda efekti nimetatakse ioonide suunamiseks ja nagu kõik sarnased efektid, on see väga mittelineaarne, väikeste kõrvalekalletega ideaalsest orientatsioonist, mis põhjustab olulisi erinevusi implantatsiooni sügavuses. Sel põhjusel jookseb enamik neist mõne kraadi teljelt kõrvale, kus väikestel joondusvigadel on prognoositavam mõju.