Jonu implantācija: koncepcija, darbības princips, metodes, mērķis un pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Jonu implantācija ir zemas temperatūras process, kurā viena elementa sastāvdaļas tiek paātrinātas vafeles cietajā virsmā, tādējādi mainot tās fizikālās, ķīmiskās vai elektriskās īpašības. Šo metodi izmanto pusvadītāju ierīču ražošanā un metāla apdarē, kā arī materiālu zinātnes pētījumos. Sastāvdaļas var mainīt plāksnes elementāro sastāvu, ja tās apstājas un paliek tajā. Jonu implantācija izraisa arī ķīmiskas un fiziskas izmaiņas, kad atomi saduras ar mērķi ar lielu enerģiju. Plāksnes kristālisko struktūru var sabojāt vai pat iznīcināt sadursmju enerģētiskās kaskādes, un daļiņas ar pietiekami augstu enerģiju (10 MeV) var izraisīt kodola transmutāciju.

Jonu implantācijas vispārīgais princips

Iekārtas parasti sastāv no avota, kurā veidojas vēlamā elementa atomi, paātrinātāja, kur tie tiek elektrostatiski paātrināti līdz augstamenerģiju un mērķa kameras, kur tās saduras ar mērķi, kas ir materiāls. Tādējādi šis process ir īpašs daļiņu starojuma gadījums. Katrs jons parasti ir viens atoms vai molekula, un tādējādi faktiskais objektā implantētā materiāla daudzums ir jonu strāvas laika integrālis. Šo skaitli sauc par devu. Implantu piegādātās strāvas parasti ir mazas (mikroampēri), un tāpēc saprātīgā laika periodā implantējamais daudzums ir mazs. Tāpēc jonu implantācija tiek izmantota gadījumos, kad nepieciešamo ķīmisko izmaiņu skaits ir neliels.

Tipiskā jonu enerģija svārstās no 10 līdz 500 keV (1600 līdz 80 000 aJ). Jonu implantāciju var izmantot ar zemu enerģiju diapazonā no 1 līdz 10 keV (160 līdz 1600 aJ), taču iespiešanās ir tikai daži nanometri vai mazāk. Jauda, kas ir zemāka par šo vērtību, rada ļoti nelielus bojājumus mērķim, un tā attiecas uz jonu staru nogulsnēšanos. Un var izmantot arī lielākas enerģijas: ir izplatīti paātrinātāji, kas spēj sasniegt 5 MeV (800 000 aJ). Tomēr bieži vien ir daudz mērķa struktūras bojājumu, un, tā kā dziļuma sadalījums ir plašs (Bragg virsotne), sastāva neto izmaiņas jebkurā mērķa punktā būs nelielas.

Jonu enerģija, kā arī dažāda veida atomi un mērķa sastāvs nosaka daļiņu iekļūšanas dziļumu cietā vielā. Monoenerģētiskajam jonu staram parasti ir plašs dziļuma sadalījums. Vidējo iespiešanos sauc par diapazonu. ATtipiskos apstākļos tas būs no 10 nanometriem līdz 1 mikrometram. Tādējādi zemas enerģijas jonu implantācija ir īpaši noderīga gadījumos, kad ir vēlams, lai ķīmiskās vai strukturālās izmaiņas būtu tuvu mērķa virsmai. Daļiņas, izejot cauri cietai vielai, pakāpeniski zaudē savu enerģiju gan no nejaušām sadursmēm ar mērķa atomiem (kas izraisa pēkšņu enerģijas pārnesi), gan no neliela palēninājuma no elektronu orbitāļu pārklāšanās, kas ir nepārtraukts process. Jonu enerģijas zudumu mērķī sauc par apstāšanos, un to var modelēt, izmantojot binārās sadursmes aproksimācijas jonu implantācijas metodi.

Akseleratora sistēmas parasti iedala vidējās strāvas, lielas strāvas, lielas enerģijas un ļoti ievērojamās devās.

Visas jonu implantācijas staru konstrukcijas satur noteiktas kopīgas funkcionālo komponentu grupas. Apsveriet piemērus. Pirmie jonu implantācijas fizikālie un fizikāli ķīmiskie pamati ietver ierīci, kas pazīstama kā daļiņu ģenerēšanas avots. Šī ierīce ir cieši saistīta ar nobīdītiem elektrodiem atomu ekstrakcijai stara līnijā un visbiežāk ar dažiem līdzekļiem konkrētu transporta veidu izvēlei transportēšanai uz akseleratora galveno sekciju. "Masas" izvēli bieži pavada ekstrahētā jonu stara iziešana caur magnētiskā lauka apgabalu ar izejas ceļu, ko ierobežo bloķējoši caurumi vai "spraugas", kas pieļauj tikai jonus ar noteiktu masas un ātruma reizinājuma vērtību.. Ja mērķa virsma ir lielāka par jonu stara diametru unja implantētā deva ir vienmērīgāk sadalīta pa to, tad tiek izmantota kāda staru skenēšanas un plāksnes kustības kombinācija. Visbeidzot, mērķis ir savienots ar kādu veidu, kā savākt uzkrāto implantēto jonu lādiņu, lai varētu nepārtraukti izmērīt ievadīto devu un apturēt procesu vēlamajā līmenī.

Pielietojums pusvadītāju ražošanā

Dopings ar boru, fosforu vai arsēnu ir izplatīts šī procesa pielietojums. Pusvadītāju jonu implantācijā katrs dopanta atoms pēc atkausēšanas var izveidot lādiņa nesēju. Jūs varat izveidot caurumu p-tipa dopantam un n-tipa elektronam. Tas maina pusvadītāja vadītspēju tā tuvumā. Šo paņēmienu izmanto, piemēram, lai pielāgotu MOSFET slieksni.

Jonu implantācija tika izstrādāta kā metode pn savienojuma iegūšanai fotoelektriskajās ierīcēs 1970. gadu beigās un 1980. gadu sākumā, kā arī impulsa elektronu staru izmantošana ātrai atkvēlināšanai, lai gan līdz šim tā nav komerciāla.

Silīcijs uz izolatora

Viena no labi zināmajām metodēm šī materiāla iegūšanai uz izolatora (SOI) substrātiem no parastajiem silīcija substrātiem ir SIMOX (atdalīšana ar skābekļa implantāciju) process, kurā lielas devas gaisu pārvērš silīcija oksīdā caur augstas temperatūras atkausēšanas process.

Mesotaxy

Šis ir kristalogrāfiskās izaugsmes terminssakrītoša fāze zem galvenā kristāla virsmas. Šajā procesā joni tiek implantēti materiālā ar pietiekami lielu enerģiju un devu, lai izveidotu otrās fāzes slāni, un temperatūra tiek kontrolēta tā, lai mērķa struktūra netiktu iznīcināta. Slāņa kristāla orientāciju var veidot tā, lai tā atbilstu mērķim, pat ja precīza režģa konstante var būt ļoti atšķirīga. Piemēram, pēc niķeļa jonu implantēšanas silīcija plāksnītē var izaudzēt silicīda slāni, kurā kristāla orientācija atbilst silīcija orientācijai.

Metāla apdares uzklāšana

Slāpekļa vai citus jonus var implantēt instrumenta tērauda mērķī (piemēram, urbī). Strukturālās izmaiņas izraisa materiāla virsmas saspiešanu, kas novērš plaisu izplatīšanos un tādējādi padara to izturīgāku pret lūzumiem.

Virsmas apdare

Dažos lietojumos, piemēram, protēzēm, piemēram, mākslīgajām locītavām, ir vēlams, lai objekts būtu ļoti izturīgs pret ķīmisko koroziju un nodilumu berzes dēļ. Jonu implantācija tiek izmantota, lai izstrādātu šādu ierīču virsmas uzticamākai darbībai. Tāpat kā instrumentu tēraudiem, mērķa modifikācijas, ko izraisa jonu implantācija, ietver gan virsmas saspiešanu, lai novērstu plaisu izplatīšanos, gan sakausēšanu, lai padarītu to ķīmiski izturīgāku pret koroziju.

Citspieteikumi

Implantāciju var izmantot, lai panāktu jonu staru sajaukšanos, tas ir, dažādu elementu atomu sajaukšanu saskarnē. Tas var būt noderīgi, lai iegūtu graduētas virsmas vai uzlabotu adhēziju starp nesajaucamu materiālu slāņiem.

Nanodaļiņu veidošanās

Jonu implantāciju var izmantot, lai inducētu nanomēroga materiālus oksīdos, piemēram, safīrā un silīcija dioksīdā. Atomi var veidoties nokrišņu vai jauktu vielu veidošanās rezultātā, kas satur gan ar jonu implantētu elementu, gan substrātu.

Tipiskās jonu staru enerģijas, ko izmanto nanodaļiņu iegūšanai, ir diapazonā no 50 līdz 150 keV, un jonu plūsma ir no 10-16 līdz 10-18 kV. var izveidot dažādus materiālus ar izmēriem no 1 nm līdz 20 nm un ar sastāviem, kas var saturēt implantētas daļiņas, kombinācijas, kas sastāv tikai no katjona, kas saistīts ar substrātu.

Materiāli uz dielektriskiem materiāliem, piemēram, safīrs, kas satur izkliedētas metāla jonu implantācijas nanodaļiņas, ir daudzsološi materiāli optoelektronikai un nelineārajai optikai.

Problēmas

Katrs atsevišķais jons rada daudz punktu defektu mērķa kristālā pēc trieciena vai intersticiāla. Vakances ir režģa punkti, kurus neaizņem atoms: šajā gadījumā jons saduras ar mērķa atomu, kā rezultātā tam tiek pārnests ievērojams enerģijas daudzums, lai tas atstātu savu.sižetu. Šis mērķa objekts pats kļūst par šāviņu cietā ķermenī un var izraisīt secīgas sadursmes. Intertarpes rodas, kad šādas daļiņas apstājas cietā vielā, bet režģī neatrod brīvas vietas dzīvošanai. Šie punktu defekti jonu implantācijas laikā var migrēt un sagrupēties viens ar otru, izraisot dislokācijas cilpu veidošanos un citas problēmas.

Amorfizācija

Kristalogrāfisko bojājumu apjoms var būt pietiekams, lai pilnībā pārietu uz mērķa virsmu, tas ir, tai jākļūst par amorfu cietu vielu. Dažos gadījumos priekšroka dodama pilnīgai mērķa amorfizācijai, nevis kristālam ar augstu defektu pakāpi: šāda plēve var atkārtoti augt zemākā temperatūrā, nekā nepieciešams stipri bojāta kristāla atkausēšanai. Pamatnes amorfizācija var notikt staru kūļa izmaiņu rezultātā. Piemēram, implantējot itrija jonus safīrā pie staru kūļa enerģijas 150 keV līdz plūsmai 510-16 Y+/kv. cm, veidojas apmēram 110 nm biezs stiklveida slānis, mērot no ārējās virsmas.

Smidzinātājs

Daži sadursmes notikumi izraisa atomu izmešanu no virsmas, un tādējādi jonu implantācija lēnām izgrauzīs virsmu. Efekts ir pamanāms tikai ļoti lielām devām.

Jonu kanāls

Ja uz mērķa tiek uzklāta kristalogrāfiska struktūra, īpaši pusvadītāju substrātos, kur tā ir vairākir atvērts, tad konkrēti virzieni apstājas daudz mazāk nekā citi. Rezultāts ir tāds, ka jonu diapazons var būt daudz lielāks, ja tas pārvietojas precīzi pa noteiktu ceļu, piemēram, silīcijā un citos dimanta kubiskajos materiālos. Šo efektu sauc par jonu novirzīšanu, un, tāpat kā visi līdzīgi efekti, tas ir ļoti nelineārs, ar nelielām novirzēm no ideālās orientācijas, kas rada ievērojamas atšķirības implantācijas dziļumā. Šī iemesla dēļ lielākā daļa darbojas dažus grādus no ass, kur nelielām izlīdzināšanas kļūdām būs paredzamāka ietekme.