Iónová implantácia: koncepcia, princíp činnosti, metódy, účel a aplikácia

2025 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-24 13:24

Iónová implantácia je nízkoteplotný proces, pri ktorom sa zložky jedného prvku urýchľujú na pevný povrch doštičky, čím sa menia jej fyzikálne, chemické alebo elektrické vlastnosti. Táto metóda sa používa pri výrobe polovodičových súčiastok a pri povrchovej úprave kovov, ako aj vo výskume materiálovej vedy. Komponenty môžu zmeniť elementárne zloženie dosky, ak sa zastavia a zostanú v nej. Implantácia iónov tiež spôsobuje chemické a fyzikálne zmeny, keď sa atómy zrazia s cieľom s vysokou energiou. Kryštalická štruktúra platne môže byť poškodená alebo dokonca zničená energetickými kaskádami zrážok a častice s dostatočne vysokou energiou (10 MeV) môžu spôsobiť jadrovú transmutáciu.

Všeobecný princíp implantácie iónov

Zariadenie sa zvyčajne skladá zo zdroja, kde sa tvoria atómy požadovaného prvku, z urýchľovača, kde sú elektrostaticky urýchľované na vysokúenergie a cieľové komory, kde narážajú na cieľ, ktorým je materiál. Tento proces je teda špeciálnym prípadom žiarenia častíc. Každý ión je zvyčajne jeden atóm alebo molekula, a teda skutočné množstvo materiálu implantovaného do cieľa je časový integrál iónového prúdu. Toto číslo sa nazýva dávka. Prúdy dodávané implantátmi sú zvyčajne malé (mikroampéry), a preto je množstvo, ktoré je možné implantovať v primeranom čase, malé. Preto sa implantácia iónov používa v prípadoch, keď je počet požadovaných chemických zmien malý.

Typické energie iónov sa pohybujú od 10 do 500 keV (1600 až 80 000 aJ). Implantáciu iónov možno použiť pri nízkych energiách v rozsahu 1 až 10 keV (160 až 1600 aJ), ale penetrácia je len niekoľko nanometrov alebo menej. Výkon pod touto hodnotou vedie k veľmi malému poškodeniu cieľa a spadá pod označenie depozície iónového lúča. A dajú sa použiť aj vyššie energie: bežné sú urýchľovače schopné 5 MeV (800 000 aJ). Často však dochádza k veľkému štrukturálnemu poškodeniu cieľa, a pretože distribúcia hĺbky je široká (Braggov vrchol), čistá zmena zloženia v ktoromkoľvek bode cieľa bude malá.

Energia iónov, ako aj rôzne typy atómov a zloženie cieľa určujú hĺbku prieniku častíc do pevnej látky. Monoenergetický iónový lúč má zvyčajne širokú hĺbkovú distribúciu. Priemerná penetrácia sa nazýva rozsah. ATza typických podmienok bude medzi 10 nanometrami a 1 mikrometrom. Implantácia iónov s nízkou energiou je teda obzvlášť užitočná v prípadoch, keď je žiaduce, aby chemická alebo štrukturálna zmena bola blízko cieľového povrchu. Častice pri prechode pevnou látkou postupne strácajú svoju energiu, a to ako náhodnými zrážkami s cieľovými atómami (ktoré spôsobujú náhle prenosy energie), tak aj miernym spomalením z prekrytia elektrónových orbitálov, čo je nepretržitý proces. Strata energie iónov v cieli sa nazýva stagnácia a možno ju modelovať pomocou metódy iónovej implantácie aproximácie binárnej kolízie.

Systémy urýchľovačov sa vo všeobecnosti delia na stredný prúd, vysoký prúd, vysokoenergetický prúd a veľmi vysokú dávku.

Všetky druhy iónových implantačných lúčov obsahujú určité spoločné skupiny funkčných komponentov. Zvážte príklady. Medzi prvé fyzikálne a fyzikálno-chemické základy implantácie iónov patrí zariadenie známe ako zdroj na generovanie častíc. Toto zariadenie je úzko spojené s predpätými elektródami na extrakciu atómov do línie lúča a najčastejšie s niektorými prostriedkami na výber špecifických režimov na transport do hlavnej časti urýchľovača. Výber "hmoty" je často sprevádzaný prechodom extrahovaného iónového lúča cez oblasť magnetického poľa s výstupnou dráhou obmedzenou blokovacími otvormi alebo "štrbinami", ktoré prepúšťajú iba ióny s určitou hodnotou súčinu hmotnosti a rýchlosti.. Ak je cieľový povrch väčší ako priemer iónového lúča aak je implantovaná dávka rozložená rovnomernejšie, potom sa použije určitá kombinácia skenovania lúčom a pohybu platničky. Nakoniec je terč pripojený k nejakému spôsobu zhromažďovania nahromadeného náboja implantovaných iónov, aby sa podávaná dávka mohla nepretržite merať a proces sa zastavil na požadovanej úrovni.

Aplikácia vo výrobe polovodičov

Doping bórom, fosforom alebo arzénom je bežnou aplikáciou tohto procesu. Pri iónovej implantácii polovodičov môže každý atóm dopantu po žíhaní vytvoriť nosič náboja. Môžete vytvoriť dieru pre dopant typu p a elektrón typu n. Tým sa mení vodivosť polovodiča v jeho blízkosti. Táto technika sa používa napríklad na úpravu prahu MOSFET.

Iónová implantácia bola vyvinutá ako metóda získania pn prechodu vo fotovoltaických zariadeniach koncom 70-tych a začiatkom 80-tych rokov minulého storočia spolu s použitím pulzného elektrónového lúča na rýchle žíhanie, hoci doteraz nebola komerčne využitá.

Kremík na izolátore

Jednou z dobre známych metód výroby tohto materiálu na izolačných (SOI) substrátoch z konvenčných kremíkových substrátov je proces SIMOX (separácia kyslíkovou implantáciou), pri ktorom sa vzduch s vysokou dávkou premieňa na oxid kremičitý proces vysokoteplotného žíhania.

Mezotaxia

Toto je termín pre kryštalografický rastkoincidujúca fáza pod povrchom hlavného kryštálu. V tomto procese sú ióny implantované s dostatočne vysokou energiou a dávkou do materiálu, aby sa vytvorila druhá fázová vrstva, a teplota je riadená tak, aby nedošlo k zničeniu cieľovej štruktúry. Orientácia kryštálov vrstvy môže byť navrhnutá tak, aby vyhovovala účelu, aj keď presná mriežková konštanta môže byť veľmi odlišná. Napríklad po implantácii iónov niklu do kremíkového plátku možno vypestovať vrstvu silicidu, v ktorej orientácia kryštálov zodpovedá orientácii kremíka.

Aplikácia na povrchovú úpravu kovu

Dusík alebo iné ióny možno implantovať do terča z nástrojovej ocele (napríklad vŕtačky). Štrukturálna zmena vyvoláva povrchovú kompresiu v materiáli, čo zabraňuje šíreniu trhlín a tým ho robí odolnejším voči zlomeniu.

Povrchová úprava

V niektorých aplikáciách, napríklad pre protézy, ako sú umelé kĺby, je žiaduce mať terč, ktorý je vysoko odolný voči chemickej korózii a opotrebovaniu v dôsledku trenia. Iónová implantácia sa používa na navrhovanie povrchov takýchto zariadení pre spoľahlivejší výkon. Rovnako ako v prípade nástrojových ocelí, modifikácia cieľa spôsobená implantáciou iónov zahŕňa povrchovú kompresiu, aby sa zabránilo šíreniu trhlín, a legovanie, aby bola chemicky odolnejšia voči korózii.

Inéaplikácie

Implantácia sa môže použiť na dosiahnutie zmiešania iónových lúčov, to znamená zmiešanie atómov rôznych prvkov na rozhraní. To môže byť užitočné na dosiahnutie stupňovitých povrchov alebo na zlepšenie adhézie medzi vrstvami nemiešateľných materiálov.

Tvorba nanočastíc

Iontovú implantáciu možno použiť na indukciu materiálov v nanorozmeroch v oxidoch, ako je zafír a oxid kremičitý. Atómy môžu vznikať v dôsledku zrážania alebo vytvárania zmiešaných látok, ktoré obsahujú iónovo implantovaný prvok aj substrát.

Typické energie iónového lúča používané na získanie nanočastíc sú v rozsahu od 50 do 150 keV a fluencia iónov je od 10-16 do 10-18 kV. pozri Širokú škálu materiálov možno vytvoriť s veľkosťou od 1 nm do 20 nm as kompozíciami, ktoré môžu obsahovať implantované častice, kombinácie, ktoré pozostávajú výlučne z katiónu viazaného na substrát.

Materiály na dielektrickej báze, ako je zafír, ktoré obsahujú rozptýlené nanočastice implantácie kovových iónov, sú sľubnými materiálmi pre optoelektroniku a nelineárnu optiku.

Problémy

Každý jednotlivý ión vytvára mnoho bodových defektov v cieľovom kryštáli pri náraze alebo intersticiálnom priestore. Voľné miesta sú body mriežky, ktoré nie sú obsadené atómom: v tomto prípade sa ión zrazí s cieľovým atómom, čo vedie k prenosu značného množstva energie naň, takže opustí svojzápletka. Tento cieľový objekt sa sám stáva projektilom v pevnom tele a môže spôsobiť následné kolízie. Medzery vznikajú, keď sa takéto častice zastavia v pevnej látke, ale v mriežke nenájdu žiadne voľné miesto na život. Tieto bodové defekty počas implantácie iónov môžu migrovať a zhlukovať sa navzájom, čo vedie k tvorbe dislokačných slučiek a iným problémom.

Amorfizácia

Množstvo kryštalografického poškodenia môže byť dostatočné na úplný prechod cieľového povrchu, to znamená, že sa musí stať amorfnou pevnou látkou. V niektorých prípadoch je úplná amorfizácia terča výhodnejšia ako kryštál s vysokým stupňom defektnosti: takýto film môže znovu rásť pri nižšej teplote, než je potrebná na žíhanie vážne poškodeného kryštálu. V dôsledku zmien lúča môže dôjsť k amorfizácii substrátu. Napríklad pri implantácii iónov ytria do zafíru pri energii lúča 150 keV až do fluencie 510-16 Y+/sq. cm sa vytvorí sklovitá vrstva s hrúbkou približne 110 nm, merané od vonkajšieho povrchu.

Sprej

Niektoré zrážky spôsobujú vymrštenie atómov z povrchu, a tak implantácia iónov povrch pomaly rozleptá. Účinok je viditeľný len pri veľmi veľkých dávkach.

Iónový kanál

Ak sa na cieľ aplikuje kryštalografická štruktúra, najmä v polovodičových substrátoch, kde je viacje otvorená, konkrétne smery sa potom zastavujú oveľa menej ako ostatné. Výsledkom je, že rozsah iónu môže byť oveľa väčší, ak sa pohybuje presne po určitej dráhe, ako napríklad v kremíku a iných diamantových kubických materiáloch. Tento efekt sa nazýva iónový kanál a ako všetky podobné efekty je vysoko nelineárny, s malými odchýlkami od ideálnej orientácie, čo vedie k významným rozdielom v hĺbke implantácie. Z tohto dôvodu väčšina beží o niekoľko stupňov mimo osi, kde budú mať drobné chyby zarovnania predvídateľnejšie účinky.