Implantasi ion: konsep, prinsip operasi, kaedah, tujuan dan aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Penempelan ion ialah proses suhu rendah di mana komponen unsur tunggal dipercepatkan ke permukaan pepejal wafer, dengan itu mengubah sifat fizikal, kimia atau elektriknya. Kaedah ini digunakan dalam pengeluaran peranti semikonduktor dan dalam kemasan logam, serta dalam penyelidikan sains bahan. Komponen boleh mengubah komposisi unsur plat jika ia berhenti dan kekal di dalamnya. Implantasi ion juga menyebabkan perubahan kimia dan fizikal apabila atom berlanggar dengan sasaran pada tenaga tinggi. Struktur hablur plat boleh rosak atau bahkan dimusnahkan oleh lata tenaga perlanggaran, dan zarah tenaga yang cukup tinggi (10 MeV) boleh menyebabkan transmutasi nuklear.

Prinsip am implantasi ion

Peralatan biasanya terdiri daripada sumber di mana atom unsur yang dikehendaki terbentuk, pemecut di mana ia dipercepatkan secara elektrostatik ke tahap tinggitenaga, dan ruang sasaran di mana ia bertembung dengan sasaran, iaitu bahan. Oleh itu, proses ini adalah kes khas sinaran zarah. Setiap ion biasanya merupakan atom atau molekul tunggal, dan dengan itu jumlah sebenar bahan yang ditanam ke dalam sasaran adalah kamiran masa bagi arus ion. Nombor ini dipanggil dos. Arus yang dibekalkan oleh implan biasanya kecil (microamps) dan oleh itu jumlah yang boleh diimplan dalam tempoh masa yang munasabah adalah kecil. Oleh itu, implantasi ion digunakan dalam kes di mana bilangan perubahan kimia yang diperlukan adalah kecil.

Tenaga ion biasa berjulat dari 10 hingga 500 keV (1600 hingga 80000 aJ). Implantasi ion boleh digunakan pada tenaga rendah dalam julat 1 hingga 10 keV (160 hingga 1600 aJ), tetapi penembusan hanya beberapa nanometer atau kurang. Kuasa di bawah ini mengakibatkan kerosakan yang sangat sedikit pada sasaran dan berada di bawah penetapan pemendapan pancaran ion. Dan tenaga yang lebih tinggi juga boleh digunakan: pemecut berkeupayaan 5 MeV (800,000 aJ) adalah perkara biasa. Walau bagaimanapun, selalunya terdapat banyak kerosakan struktur pada sasaran, dan kerana taburan kedalaman adalah luas (puncak Bragg), perubahan bersih dalam komposisi pada mana-mana titik pada sasaran adalah kecil.

Tenaga ion, serta pelbagai jenis atom dan komposisi sasaran, menentukan kedalaman penembusan zarah ke dalam pepejal. Rasuk ion monoenergetik biasanya mempunyai taburan kedalaman yang luas. Penembusan purata dipanggil julat. ATdalam keadaan biasa ia akan berada di antara 10 nanometer dan 1 mikrometer. Oleh itu, implantasi ion tenaga rendah amat berguna dalam kes di mana ia dikehendaki bahawa perubahan kimia atau struktur berada berhampiran permukaan sasaran. Zarah secara beransur-ansur kehilangan tenaga mereka apabila ia melalui pepejal, kedua-duanya daripada perlanggaran rawak dengan atom sasaran (yang menyebabkan pemindahan tenaga secara mendadak) dan daripada nyahpecutan sedikit daripada pertindihan orbital elektron, yang merupakan proses berterusan. Kehilangan tenaga ion dalam sasaran dipanggil stalling dan boleh dimodelkan menggunakan kaedah implantasi ion anggaran perlanggaran binari.

Sistem pemecut secara amnya dikelaskan kepada arus sederhana, arus tinggi, tenaga tinggi dan dos yang sangat ketara.

Semua jenis reka bentuk rasuk implantasi ion mengandungi kumpulan biasa komponen berfungsi tertentu. Pertimbangkan contoh. Asas fizikal dan fiziko-kimia pertama implantasi ion termasuk peranti yang dikenali sebagai sumber untuk menjana zarah. Peranti ini berkait rapat dengan elektrod pincang untuk mengekstrak atom ke dalam garis pancaran dan selalunya dengan beberapa cara untuk memilih mod khusus untuk pengangkutan ke bahagian utama pemecut. Pemilihan "jisim" selalunya disertai dengan laluan pancaran ion yang diekstrak melalui kawasan medan magnet dengan laluan keluar yang dihadkan dengan menyekat lubang atau "slot" yang membenarkan hanya ion dengan nilai produk jisim dan halaju tertentu.. Jika permukaan sasaran lebih besar daripada diameter rasuk ion danjika dos yang diimplan lebih sekata di atasnya, maka beberapa gabungan pengimbasan rasuk dan pergerakan plat digunakan. Akhir sekali, sasaran disambungkan kepada beberapa cara untuk mengumpul cas terkumpul ion yang diimplan supaya dos yang dihantar boleh diukur secara berterusan dan proses berhenti pada tahap yang dikehendaki.

Aplikasi dalam pembuatan semikonduktor

Doping dengan boron, fosforus atau arsenik ialah aplikasi biasa bagi proses ini. Dalam implantasi ion semikonduktor, setiap atom dopan boleh mencipta pembawa cas selepas penyepuhlindapan. Anda boleh membina lubang untuk dopan jenis-p dan elektron jenis-n. Ini mengubah kekonduksian semikonduktor di persekitarannya. Teknik ini digunakan, sebagai contoh, untuk melaraskan ambang MOSFET.

Penempelan ion telah dibangunkan sebagai kaedah mendapatkan persimpangan pn dalam peranti fotovoltaik pada akhir 1970-an dan awal 1980-an, bersama-sama dengan penggunaan pancaran elektron berdenyut untuk penyepuhlindapan pantas, walaupun ia tidak dikomersialkan sehingga kini.

Silikon pada penebat

Salah satu kaedah yang terkenal untuk menghasilkan bahan ini pada substrat penebat (SOI) daripada substrat silikon konvensional ialah proses SIMOX (pemisahan melalui implantasi oksigen), di mana udara berdos tinggi ditukar kepada silikon oksida melalui proses penyepuhlindapan suhu tinggi.

Mesotaxy

Ini ialah istilah untuk pertumbuhan secara kristalografifasa bertepatan di bawah permukaan kristal utama. Dalam proses ini, ion ditanam pada tenaga dan dos yang cukup tinggi ke dalam bahan untuk mencipta lapisan fasa kedua, dan suhu dikawal supaya struktur sasaran tidak dimusnahkan. Orientasi kristal lapisan boleh direka bentuk untuk memenuhi tujuan, walaupun pemalar kekisi yang tepat boleh sangat berbeza. Contohnya, selepas menanam ion nikel ke dalam wafer silikon, lapisan silisid boleh ditanam di mana orientasi kristal sepadan dengan silikon.

Aplikasi Kemasan Logam

Nitrogen atau ion lain boleh ditanam ke dalam sasaran keluli alat (seperti gerudi). Perubahan struktur mendorong mampatan permukaan dalam bahan, yang menghalang perambatan retak dan dengan itu menjadikannya lebih tahan terhadap patah.

Kemasan permukaan

Dalam sesetengah aplikasi, contohnya untuk prostesis seperti sendi buatan, adalah wajar untuk mempunyai sasaran yang sangat tahan terhadap kakisan kimia dan haus akibat geseran. Implantasi ion digunakan untuk mereka bentuk permukaan peranti sedemikian untuk prestasi yang lebih dipercayai. Seperti keluli alat, pengubahsuaian sasaran yang disebabkan oleh implantasi ion termasuk kedua-dua pemampatan permukaan untuk mengelakkan perambatan retak dan pengaloian untuk menjadikannya lebih tahan kimia terhadap kakisan.

Lain-lainaplikasi

Implantasi boleh digunakan untuk mencapai pencampuran rasuk ion, iaitu, pengadunan atom unsur berbeza pada antara muka. Ini boleh berguna untuk mencapai permukaan bergraduat atau meningkatkan lekatan antara lapisan bahan yang tidak boleh larut.

Pembentukan nanozarah

implantasi ion boleh digunakan untuk mendorong bahan berskala nano dalam oksida seperti nilam dan silikon dioksida. Atom boleh terbentuk hasil daripada pemendakan atau pembentukan bahan campuran yang mengandungi kedua-dua unsur yang diimplan ion dan substrat.

Tenaga pancaran ion biasa yang digunakan untuk mendapatkan zarah nano adalah dalam julat dari 50 hingga 150 keV, dan kelancaran ion adalah dari 10-16 hingga 10-18 kV. lihat Pelbagai jenis bahan boleh dibentuk dengan saiz dari 1 nm hingga 20 nm dan dengan komposisi yang boleh mengandungi zarah yang diimplan, gabungan yang terdiri semata-mata daripada kation yang terikat pada substrat.

Bahan berasaskan dielektrik seperti nilam, yang mengandungi nanopartikel terabur implantasi ion logam, merupakan bahan yang menjanjikan untuk optoelektronik dan optik bukan linear.

Masalah

Setiap ion individu menghasilkan banyak kecacatan titik dalam kristal sasaran apabila hentaman atau celahan. Kekosongan adalah titik kekisi yang tidak diduduki oleh atom: dalam kes ini, ion berlanggar dengan atom sasaran, yang membawa kepada pemindahan sejumlah besar tenaga kepadanya, supaya ia meninggalkannya.plot. Objek sasaran ini sendiri menjadi peluru dalam badan pepejal dan boleh menyebabkan perlanggaran berturut-turut. Celahan berlaku apabila zarah tersebut berhenti dalam pepejal tetapi tidak menemui ruang kosong dalam kekisi untuk hidup. Kecacatan titik ini semasa implantasi ion boleh berhijrah dan berkelompok antara satu sama lain, membawa kepada pembentukan gelung terkehel dan masalah lain.

Amorfisasi

Jumlah kerosakan kristalografi mungkin mencukupi untuk mengalihkan sepenuhnya permukaan sasaran, iaitu, ia mesti menjadi pepejal amorfus. Dalam sesetengah kes, amorfisasi lengkap sasaran adalah lebih baik daripada kristal dengan tahap kecacatan yang tinggi: filem sedemikian boleh tumbuh semula pada suhu yang lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menyepuhlindap kristal yang rosak teruk. Amorfisasi substrat boleh berlaku akibat daripada perubahan rasuk. Contohnya, apabila menanam ion yttrium ke dalam nilam pada tenaga pancaran 150 keV sehingga kelancaran 510-16 Y+/sq. cm, lapisan vitreous kira-kira 110 nm tebal terbentuk, diukur dari permukaan luar.

Sembur

Sesetengah peristiwa perlanggaran menyebabkan atom terpancut keluar dari permukaan, dan dengan itu implantasi ion akan perlahan-lahan menggores permukaan. Kesannya kelihatan hanya untuk dos yang sangat besar.

Saluran ion

Jika struktur kristalografi digunakan pada sasaran, terutamanya dalam substrat semikonduktor di mana ia lebihterbuka, maka arah tertentu berhenti jauh lebih sedikit daripada yang lain. Hasilnya ialah julat ion boleh menjadi lebih besar jika ia bergerak tepat di sepanjang laluan tertentu, seperti dalam silikon dan bahan padu berlian lain. Kesan ini dipanggil penyaluran ion dan, seperti semua kesan yang serupa, sangat tidak linear, dengan sisihan kecil daripada orientasi ideal mengakibatkan perbezaan ketara dalam kedalaman implantasi. Atas sebab ini, kebanyakannya berjalan beberapa darjah di luar paksi, di mana ralat penjajaran kecil akan mempunyai kesan yang lebih boleh diramal.