Jonų implantacija: koncepcija, veikimo principas, metodai, paskirtis ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Jonų implantavimas yra žemos temperatūros procesas, kurio metu vieno elemento komponentai pagreitėja į kietą plokštelės paviršių, taip pakeičiant jo fizines, chemines ar elektrines savybes. Šis metodas naudojamas puslaidininkinių įtaisų gamyboje ir metalo apdailoje bei medžiagotyriniuose tyrimuose. Komponentai gali pakeisti elementinę plokštės sudėtį, jei sustoja ir lieka joje. Jonų implantacija taip pat sukelia cheminius ir fizinius pokyčius, kai atomai susiduria su didelės energijos taikiniu. Plokštės kristalinę struktūrą gali pažeisti ar net sunaikinti susidūrimų energijos kaskados, o pakankamai didelės energijos (10 MeV) dalelės gali sukelti branduolio transmutaciją.

Bendras jonų implantavimo principas

Įranga paprastai susideda iš š altinio, kuriame susidaro norimo elemento atomai, greitintuvo, kuriame jie elektrostatiškai pagreitinami iki didelioenergijos, ir taikinio kameras, kur jos susiduria su taikiniu, kuris yra medžiaga. Taigi šis procesas yra ypatingas dalelių spinduliavimo atvejis. Kiekvienas jonas paprastai yra vienas atomas arba molekulė, todėl tikrasis į taikinį implantuotos medžiagos kiekis yra jonų srovės laiko integralas. Šis skaičius vadinamas doze. Implantų tiekiamos srovės dažniausiai yra mažos (mikroampai), todėl per protingą laiką implantuojamas kiekis yra mažas. Todėl jonų implantavimas naudojamas tais atvejais, kai reikia nedaug cheminių pakeitimų.

Tipinė jonų energija svyruoja nuo 10 iki 500 keV (1600–80 000 aJ). Jonų implantavimas gali būti naudojamas esant žemai energijai nuo 1 iki 10 keV (160-1600 aJ), tačiau prasiskverbimas yra tik keli nanometrai ar mažiau. Mažesnė galia padaro labai mažai žalos taikiniui ir patenka į jonų pluošto nusodinimo pavadinimą. Galima naudoti ir didesnę energiją: dažni greitintuvai, galintys 5 MeV (800 000 aJ). Tačiau taikinyje dažnai daroma daug struktūrinių pažeidimų, o gylio pasiskirstymas yra platus (Braggo viršūnė), grynasis sudėties pokytis bet kuriame taikinio taške bus nedidelis.

Jonų energija, taip pat skirtingų tipų atomai ir taikinio sudėtis lemia dalelių įsiskverbimo į kietą medžiagą gylį. Monoenergetinis jonų pluoštas paprastai turi platų gylio pasiskirstymą. Vidutinis skverbtis vadinamas diapazonu. ATįprastomis sąlygomis jis bus nuo 10 nanometrų iki 1 mikrometro. Taigi, mažos energijos jonų implantacija yra ypač naudinga tais atvejais, kai norima, kad cheminis arba struktūrinis pokytis būtų arti tikslinio paviršiaus. Dalelės palaipsniui praranda energiją, kai jos praeina per kietą medžiagą, tiek dėl atsitiktinių susidūrimų su tiksliniais atomais (kurie sukelia staigų energijos perdavimą), tiek dėl nedidelio lėtėjimo dėl elektronų orbitų persidengimo, o tai yra nuolatinis procesas. Jonų energijos praradimas taikinyje vadinamas sustojimu ir gali būti modeliuojamas naudojant dvejetainio susidūrimo aproksimacijos jonų implantavimo metodą.

Akseleratoriaus sistemos paprastai skirstomos į vidutinės srovės, didelės srovės, didelės energijos ir labai didelę dozę.

Visose jonų implantavimo pluošto konstrukcijose yra tam tikrų bendrų funkcinių komponentų grupių. Apsvarstykite pavyzdžius. Pirmieji fizikiniai ir fizikiniai bei cheminiai jonų implantavimo pagrindai apima įrenginį, žinomą kaip dalelių generavimo š altinį. Šis prietaisas yra glaudžiai susijęs su šališkais elektrodais, skirtais atomams ištraukti į pluošto liniją, ir dažniausiai su tam tikromis priemonėmis, leidžiančiomis pasirinkti konkrečius transportavimo į pagrindinę greitintuvo sekciją. "Masės" parinkimas dažnai lydimas išgaunamo jonų pluošto pratekėjimo per magnetinio lauko sritį, kurios išėjimo kelią riboja blokuojančios skylės arba "plyšiai", leidžiantys tik jonus, turinčius tam tikrą masės ir greičio sandaugos vertę.. Jei taikinio paviršius yra didesnis už jonų pluošto skersmenį irjei implantuota dozė yra tolygiau paskirstyta, tada naudojamas tam tikras pluošto skenavimo ir plokštelės judėjimo derinys. Galiausiai, taikinys yra prijungtas prie tam tikro būdo surinkti sukauptą implantuotų jonų krūvį, kad būtų galima nuolat matuoti tiekiamą dozę ir sustabdyti procesą iki pageidaujamo lygio.

Taikymas puslaidininkių gamyboje

Dopingas su boru, fosforu ar arsenu yra įprastas šio proceso taikymas. Implantuojant puslaidininkius jonais, kiekvienas priedo atomas po atkaitinimo gali sukurti krūvininkų nešiklį. Galite sukurti skylę p tipo priedo ir n tipo elektronui. Tai keičia puslaidininkio laidumą šalia jo. Ši technika naudojama, pavyzdžiui, MOSFET slenksčiui reguliuoti.

Jonų implantavimas buvo sukurtas kaip pn jungties gavimo būdas fotovoltiniuose įrenginiuose aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje, kartu naudojant impulsinį elektronų pluoštą greitam atkaitinimui, nors iki šiol jis nebuvo parduotas.

Silicis ant izoliatoriaus

Vienas iš gerai žinomų šios medžiagos gamybos ant izoliacinių (SOI) substratų iš įprastų silicio substratų yra SIMOX (atskyrimas implantuojant deguonį) procesas, kurio metu didelės dozės oras paverčiamas silicio oksidu. atkaitinimo aukštoje temperatūroje procesas.

Mesotaxy

Tai kristalografinio augimo terminassutampa fazė po pagrindinio kristalo paviršiumi. Šio proceso metu jonai implantuojami pakankamai didele energija ir doze į medžiagą, kad būtų sukurtas antrasis fazės sluoksnis, o temperatūra kontroliuojama taip, kad nebūtų sunaikinta tikslinė struktūra. Sluoksnio kristalų orientacija gali būti suprojektuota taip, kad atitiktų tikslą, net jei tiksli gardelės konstanta gali būti labai skirtinga. Pavyzdžiui, implantavus nikelio jonus į silicio plokštelę, galima išauginti silicido sluoksnį, kurio kristalų orientacija atitinka silicio orientaciją.

Metalinės apdailos taikymas

Azoto ar kitų jonų galima implantuoti į įrankio plieno taikinį (pvz., grąžtą). Dėl struktūrinių pokyčių medžiagos paviršius suspaudžiamas, o tai neleidžia plisti įtrūkimams, todėl ji tampa atsparesnė lūžimui.

Paviršiaus apdaila

Kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, protezams, tokiems kaip dirbtiniai sąnariai, pageidautina turėti taikinį, kuris būtų labai atsparus cheminei korozijai ir dilimui dėl trinties. Jonų implantacija naudojama projektuojant tokių prietaisų paviršius, kad jų veikimas būtų patikimesnis. Kaip ir įrankinio plieno atveju, dėl jonų implantavimo sukeltos tikslinės modifikacijos apima ir paviršiaus suspaudimą, kad būtų išvengta įtrūkimų plitimo, ir legiravimas, kad jis būtų chemiškai atsparesnis korozijai.

Kitaparaiškos

Implantacija gali būti naudojama siekiant sumaišyti jonų pluoštus, ty skirtingų elementų atomus sąsajoje. Tai gali būti naudinga norint pasiekti graduotus paviršius arba pagerinti sukibimą tarp nesimaišančių medžiagų sluoksnių.

Nanodalelių susidarymas

Jonų implantavimas gali būti naudojamas nanodalelių medžiagoms indukuoti oksiduose, tokiuose kaip safyras ir silicio dioksidas. Atomai gali susidaryti dėl kritulių arba susidariusių mišrių medžiagų, kuriose yra ir jonų implantuotas elementas, ir substratas.

Tipinė jonų pluošto energija, naudojama nanodalelėms gauti, yra nuo 50 iki 150 keV, o jonų srautas yra nuo 10-16 iki 10-18 kV. žr. Galima sudaryti daugybę įvairių medžiagų, kurių dydis yra nuo 1 nm iki 20 nm, ir su kompozicijomis, kuriose gali būti implantuotų dalelių, derinių, kuriuos sudaro tik katijonas, prijungtas prie pagrindo.

Dielektrinės medžiagos, pvz., safyras, kuriose yra išsklaidytų metalo jonų implantacijos nanodalelių, yra daug žadančios medžiagos optoelektronikai ir netiesinei optikai.

Problemos

Kiekvienas atskiras jonas sukuria daug taškinių defektų tiksliniame kristale po smūgio ar tarpo. Laisvos vietos yra gardelės taškai, kurių neužima atomas: šiuo atveju jonas susiduria su tiksliniu atomu, dėl kurio jam perduodamas didelis energijos kiekis, todėl jis palieka savosklypas. Šis tikslinis objektas pats tampa sviediniu kietame kūne ir gali sukelti nuoseklius susidūrimus. Tarpai atsiranda, kai tokios dalelės sustoja kietoje medžiagoje, bet neranda grotelėje laisvos vietos gyventi. Šie taškiniai defektai implantuojant jonus gali migruoti ir susikaupti vienas su kitu, todėl gali susidaryti dislokacijos kilpos ir atsirasti kitų problemų.

Amorfizacija

Kristalografinės žalos gali pakakti, kad būtų visiškai pakeistas tikslinis paviršius, tai yra, jis turi tapti amorfine kieta medžiaga. Kai kuriais atvejais geriau visiškai amorfizuoti taikinį nei kristalą, turintį didelį defektų laipsnį: tokia plėvelė gali vėl augti žemesnėje temperatūroje, nei reikia atkaitinti labai pažeistą kristalą. Dėl pluošto pokyčių substratas gali amorfizuotis. Pavyzdžiui, implantuojant itrio jonus į safyrą esant 150 keV pluošto energijai iki 510-16 Y+/kv. cm, susidaro maždaug 110 nm storio stiklakūnio sluoksnis, matuojant nuo išorinio paviršiaus.

Purškimas

Kai kurie susidūrimo įvykiai sukelia atomų išmetimą iš paviršiaus, todėl jonų implantacija lėtai išgraviruoja paviršių. Poveikis pastebimas tik vartojant labai dideles dozes.

Jonų kanalas

Jei taikiniui taikoma kristalografinė struktūra, ypač puslaidininkiniuose substratuose, kur ji yra daugiauyra atidarytas, tada konkrečios kryptys sustoja daug mažiau nei kitos. Rezultatas yra tai, kad jonų diapazonas gali būti daug didesnis, jei jis juda tiksliai tam tikru keliu, pavyzdžiui, silicyje ir kitose deimantinėse kubinėse medžiagose. Šis efektas vadinamas jonų nukreipimu ir, kaip ir visi panašūs efektai, yra labai netiesinis, su nedideliais nukrypimais nuo idealios orientacijos, todėl implantacijos gylis labai skiriasi. Dėl šios priežasties dauguma nukrypsta keliais laipsniais nuo ašies, todėl mažos lygiavimo klaidos turės labiau nuspėjamą poveikį.