Йонна имплантация: концепция, принцип, метод, цел и приложение

Имплантирането на йони е нискотемпературен процес, при който компоненти на даден елемент се ускоряват в твърдата повърхност на пластината, като по този начин се променят нейните физични, химични или електрически свойства. Тази техника се използва в производството на полупроводникови прибори и при обработката на метали, както и при изследването на материали. Компонентите могат да променят елементарния състав на плочата, ако спрат и останат там. Йонната имплантация предизвиква и химични и физични промени, когато атомите се сблъскват с мишената с висока енергия. Кристалната структура на плочата може да бъде повредена или дори разрушена от енергийни каскади от сблъсъци, а частици с достатъчно висока енергия (10 MeV) могат да предизвикат ядрена трансмутация.

Общ принцип на йонната имплантация

Оборудването обикновено се състои от източник, в който се образуват атомите на желания елемент, ускорител, в който те се ускоряват електростатично до висока енергия, и целева клетка, в която те се срещат с целевия материал. По този начин процесът е специален случай на излъчване на частици. Всеки йон обикновено представлява един атом или молекула и по този начин действителното количество имплантиран материал е интегралът на времето на йонния ток. Това число се нарича доза. Токовете на имплантите обикновено са малки (микроампери) и поради това количеството, което може да се имплантира за разумно време, е малко. Затова йонната имплантация намира приложение в случаите, когато количеството на необходимите химични промени е малко.

Типичните енергии на йоните варират от 10 до 500 keV (1600 до 80000 aJ). Може да се използва имплантиране на йони с ниски енергии в диапазона от 1 до 10 keV (160 до 1600 aJ), но проникването е само няколко нанометра или по-малко. Мощност под тази стойност води до много малки щети за целта и попадения под наименованието отлагане с йонен лъч. Възможни са и по-високи енергии: широко разпространени са ускорители с мощност до 5 MeV (800 000 aJ). Въпреки това често има големи структурни повреди на мишената и тъй като разпределението в дълбочина е широко (пик на Браг), нетната промяна в състава във всяка точка на мишената ще бъде малка.

Енергията на йоните, както и различните видове атоми и съставът на мишената определят дълбочината на проникване на частиците в твърдото тяло. Моноенергийният йонен сноп обикновено има широко дълбочинно разпределение. Средното проникване се нарича обхват. При типични условия тя е между 10 нанометра и 1 микрометър. Така нискоенергийната йонна имплантация е особено полезна, когато е желателно химичните или структурните промени да бъдат в близост до целевата повърхност. Частиците постепенно губят енергията си при преминаването си през твърдо тяло, както от случайни сблъсъци с целеви атоми (които предизвикват рязко прехвърляне на енергия), така и от светлинно спиране от припокриващи се електронни орбитали, което е непрекъснат процес. Загубата на енергия на йоните в мишената се нарича спиране и може да се моделира чрез метода на апроксимация на бинарните сблъсъци при йонна имплантация.

Ускорителните системи обикновено се разделят на средно токови, високо токови, високоенергийни и с много висока доза.

Всички видове конструкции на лъчи за йонна имплантация съдържат някои общи групи функционални компоненти. Нека разгледаме примери. Първите физични и физикохимични основи на йонната имплантация включват устройство, известно като източник за генериране на частици. Това устройство е тясно свързано с пристрастните електроди за извличане на атоми в сноповата линия и най-често с някакви средства за селектиране на специфични видове за транспортиране в главната секция на ускорителя. Избирането на "маса" често се придружава от преминаване на извлечения йонен сноп през зона на магнитно поле с изходен път, ограничен от блокиращи отвори или "прорези", които пропускат само йони с определена стойност на произведението от маса и скорост. Ако повърхността на мишената е по-голяма от диаметъра на йонния сноп и се желае по-равномерно разпределение на имплантираната доза върху нея, се използва комбинация от сканиране на снопа и движение на плочата. Накрая мишената се свързва с някакъв начин за събиране на натрупания заряд от имплантираните йони, така че доставената доза да може да се измерва непрекъснато и процесът да се спира при желаното ниво.

Приложения в производството на полупроводници

Легирането с бор, фосфор или арсен е често срещано приложение на процеса. При имплантирането на йони в полупроводници всеки допант може да създаде носител на заряд след отгряване. Можете да създадете дупка за примес от p-тип допант и електрон от n-тип. Той променя проводимостта на полупроводника в в близост до него. Техниката се използва, например, за регулиране на прага на MOSFET.

Йонната имплантация е разработена като метод за производство на фотоволтаични устройства с pn преход в края на 70-те и началото на 80-те години на миналия век, заедно с използването на импулсни електронни лъчи за бързо отгряване, въпреки че все още не се използва за търговско производство.

Силиций върху изолатор

Един добре познат метод за производство на този материал върху диелектрични (SOI) пластини от конвенционални силициеви пластини е процесът SIMOX (Separation by Oxygen Implantation), при който висока доза въздух се превръща в силициев оксид чрез високотемпературен процес на отгряване.

Мезотаксис

Това е термин за растежа на кристалографски съвпадаща фаза под повърхността на основния кристал. При този процес в материала се имплантират йони с достатъчно висока енергия и доза, за да се създаде втори фазов слой, а температурата се контролира така, че да не се разруши целевата структура. Кристалната ориентация на слоя може да бъде проектирана така, че да отговаря на целта, въпреки че точната константа на решетката може да варира значително. Например, след имплантиране на никелови йони в силициева пластина може да се получи силициден слой, в който ориентацията на кристалите съвпада с тази на силиция.

Приложения в металообработката

Азотни или други йони могат да бъдат имплантирани в мишени от инструментална стомана (напр. свредла). Структурната модификация предизвиква повърхностна компресия в материала, която предотвратява разпространението на пукнатини и по този начин го прави по-устойчив на счупване.

Повърхностно покритие

При някои приложения, като например при протези, например изкуствени стави, е желателно целта да е много устойчива както на химическа корозия, така и на износване от триене. Йонната имплантация се използва за конструиране на повърхностите на такива устройства за повече надеждна работа. Както и при инструменталните стомани, модификациите на целта, предизвикани от йонна имплантация, включват както компресиране на повърхността, което предотвратява разпространението на пукнатини, така и легиране, което я прави по-химически устойчива на корозия.

Други приложения

Имплантирането може да се използва за постигане на смесване на йонни снопове, т.е. смесване на атоми от различни елементи на границата. Той може да да бъде полезен за постигане на градирани повърхности или за подобряване на адхезията между слоеве от несмесващи се материали.

Образуване на наночастици

Имплантирането на йони може да се използва за индуциране на наноразмерни материали в оксиди като сапфир и силициев диоксид. Атомите могат да се формират чрез отлагане или формиране на смесена среда, която съдържа както имплантирания с йони елемент, така и субстрата.

Типичните енергии на йонните лъчи, използвани за производство на наночастици, варират от 50 до 150 keV, а йонните потоци - от 10-16 до 10-18 Q. вижте. Могат да се формират голямо разнообразие от материали с размери от 1 nm до 20 nm и със състави, които могат да съдържат имплантирани частици, комбинации, които се състоят само от катиони, свързани със субстрата.

Веществата на основата на диелектрици, като сапфир, които съдържат диспергирани наночастици, имплантирани с метални йони, са обещаващи материали за Оптоелектроника и нелинейна оптика.

Проблеми

Всеки отделен йон предизвиква множество точкови дефекти в целевия кристал при удар или вграждане. Свободните места са точки от решетката, които не са заети от атом: в този случай йонът се сблъсква с целевия атом, което го кара да прехвърли значително количество енергия, така че да напусне мястото си. Самата цел се превръща в снаряд в твърдо тяло и може да предизвика последователни сблъсъци. Междувъзловите частици възникват, когато такива частици остават в твърдо тяло, но не намират свободно място в решетката, където да се настанят. Тези точкови дефекти при йонна имплантация могат да мигрират и да се групират помежду си, което води до дислокационни вериги и други проблеми.

Аморфизация

Размерът на кристалографското увреждане може да бъде достатъчен за пълното преминаване на повърхността на мишената, т.е. тя трябва да се превърне в аморфно твърдо вещество. В някои случаи пълната аморфизация на мишената е за предпочитане пред силно дефектния кристал: такъв филм може да израсне отново при по-ниска температура от тази, необходима за отгряване на силно дефектния кристал. Аморфизацията на субстрата може да настъпи в резултат на промяна в лъча. Например при имплантиране на итриеви йони в сапфир с енергия на лъча 150 keV до флуенс от 5*10-16 Y+/kv. cm образува стъкловиден слой с дебелина около 110 nm, измерена от външната повърхност.

Разпрашване

Някои от сблъсъците ще доведат до изхвърляне на атоми от повърхността и по този начин йонната имплантация бавно ще ецва повърхността. Ефектът се забелязва само при много големи дози.

Йонни канали

Ако към мишената се приложи кристалографска структура, особено при полупроводниковите субстрати, където тя е по-отворена, тогава определени посоки ще спират много по-малко от други. Резултатът е, че радиусът на действие на йона може да бъде много по-голям, ако той се движи точно по определен път, например в силиций и други кубични диамантени материали. Този ефект се нарича йонно канализиране и, както всички подобни ефекти, е силно нелинеен, като малки отклонения от идеалната ориентация водят до значителни разлики в дълбочината на имплантиране. Поради тази причина повечето от тях се извършват на няколко градуса извън оста, където малките грешки в подравняването ще имат по-предсказуем ефект.