Ioneimplantasjon: konsept, operasjonsprinsipp, metoder, formål og anvendelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Ioneimplantasjon er en lavtemperaturprosess der komponentene i et enkelt element akselereres inn i den faste overflaten av en wafer, og dermed endrer dens fysiske, kjemiske eller elektriske egenskaper. Denne metoden brukes i produksjon av halvlederenheter og i metalletterbehandling, samt i materialvitenskapelig forskning. Komponenter kan endre elementsammensetningen til platen hvis de stopper og forblir i den. Ioneimplantasjon forårsaker også kjemiske og fysiske endringer når atomer kolliderer med et mål med høy energi. Den krystallinske strukturen til platen kan bli skadet eller til og med ødelagt av energikaskader av kollisjoner, og partikler med tilstrekkelig høy energi (10 MeV) kan forårsake kjernefysisk transmutasjon.

Generelt prinsipp for ioneimplantasjon

Utstyr består vanligvis av en kilde der atomer av det ønskede grunnstoffet dannes, en akselerator hvor de elektrostatisk akselereres til en høyenergi, og målkamre hvor de kolliderer med målet, som er materialet. Dermed er denne prosessen et spesielt tilfelle av partikkelstråling. Hvert ion er vanligvis et enkelt atom eller molekyl, og dermed er den faktiske mengden materiale implantert i målet tidsintegralen til ionestrømmen. Dette tallet kalles dosen. Strømmene som tilføres av implantater er vanligvis små (mikroampere), og derfor er mengden som kan implanteres i løpet av rimelig tid liten. Derfor brukes ioneimplantasjon i tilfeller hvor antallet kjemiske endringer som kreves er lite.

Typiske ioneenergier varierer fra 10 til 500 keV (1600 til 80000 aJ). Ioneimplantasjon kan brukes ved lave energier i området 1 til 10 keV (160 til 1600 aJ), men penetrasjonen er bare noen få nanometer eller mindre. Kraft under dette resulterer i svært liten skade på målet og faller inn under betegnelsen ionestråleavsetning. Og høyere energier kan også brukes: akseleratorer som kan 5 MeV (800 000 aJ) er vanlige. Imidlertid er det ofte mye strukturelle skader på målet, og fordi dybdefordelingen er bred (Bragg-topp), vil nettoendringen i sammensetning på ethvert punkt på målet være liten.

Energien til ionene, samt ulike typer atomer og sammensetningen av målet, bestemmer dybden av penetrasjon av partikler i et fast stoff. En monoenergetisk ionestråle har vanligvis en bred dybdefordeling. Den gjennomsnittlige penetrasjonen kalles rekkevidden. PÅunder typiske forhold vil den være mellom 10 nanometer og 1 mikrometer. Således er lavenergi-ionimplantasjon spesielt nyttig i tilfeller hvor det er ønskelig at den kjemiske eller strukturelle endringen er nær måloverflaten. Partikler mister gradvis energien sin når de passerer gjennom et fast stoff, både fra tilfeldige kollisjoner med målatomer (som forårsaker brå energioverføringer) og fra svak retardasjon fra overlapping av elektronorbitaler, som er en kontinuerlig prosess. Energitapet av ioner i et mål kalles stalling og kan modelleres ved å bruke ioneimplantasjonsmetoden for den binære kollisjonstilnærmingen.

Acceleratorsystemer er generelt klassifisert i middels strøm, høy strøm, høy energi og svært betydelig dose.

Alle varianter av ionimplantasjonsstråledesign inneholder visse vanlige grupper av funksjonelle komponenter. Tenk på eksempler. Det første fysiske og fysisk-kjemiske grunnlaget for ioneimplantasjon inkluderer en enhet kjent som en kilde for å generere partikler. Denne enheten er nært forbundet med forspente elektroder for å trekke ut atomer inn i strålelinjen og oftest med noen midler for å velge spesifikke moduser for transport til hoveddelen av akseleratoren. Valget av "masse" er ofte ledsaget av passasje av den ekstraherte ionestrålen gjennom et område med magnetfelt med en utgangsbane begrenset av blokkerende hull eller "spor" som bare tillater ioner med en viss verdi av produktet av masse og hastighet. Hvis måloverflaten er større enn ionestrålediameteren oghvis den implanterte dosen er mer jevnt fordelt over den, brukes en kombinasjon av stråleskanning og platebevegelse. Til slutt er målet koblet til en måte å samle den akkumulerte ladningen av de implanterte ionene slik at den leverte dosen kan måles kontinuerlig og prosessen stoppes på ønsket nivå.

Applikasjon i halvlederproduksjon

Doping med bor, fosfor eller arsen er en vanlig anvendelse av denne prosessen. Ved ioneimplantasjon av halvledere kan hvert dopantatom lage en ladningsbærer etter annealing. Du kan bygge et hull for et p-type dopingmiddel og et n-type elektron. Dette endrer ledningsevnen til halvlederen i dens nærhet. Teknikken brukes for eksempel til å justere terskelen til en MOSFET.

Ionimplantasjon ble utviklet som en metode for å oppnå et pn-kryss i fotovoltaiske enheter på slutten av 1970-tallet og begynnelsen av 1980-tallet, sammen med bruken av en pulsert elektronstråle for rask gløding, selv om den ikke har blitt kommersialisert til dags dato.

Silisium på isolator

En av de velkjente metodene for å produsere dette materialet på isolatorsubstrater (SOI) fra konvensjonelle silisiumsubstrater er SIMOX-prosessen (separasjon ved oksygenimplantasjon), der høydoseluft omdannes til silisiumoksid gjennom en høytemperaturglødeprosess.

Mesotaxy

Dette er betegnelsen på vekst krystallografisksammenfallende fase under overflaten av hovedkrystallen. I denne prosessen implanteres ioner med tilstrekkelig høy energi og dose inn i materialet for å lage et andre faselag, og temperaturen kontrolleres slik at målstrukturen ikke blir ødelagt. Krystallorienteringen av laget kan utformes for å passe formålet, selv om den nøyaktige gitterkonstanten kan være svært forskjellig. For eksempel, etter å ha implantert nikkelioner i en silisiumplate, kan det dyrkes et lag med silicid der krystallorienteringen stemmer overens med silisium.

Metal Finish Application

Nitrogen eller andre ioner kan implanteres i et verktøystålmål (som en drill). Den strukturelle endringen induserer overflatekompresjon i materialet, noe som hindrer sprekkforplantning og dermed gjør det mer motstandsdyktig mot brudd.

Overflatefinish

I noen bruksområder, for eksempel for proteser som kunstige ledd, er det ønskelig med et mål som er svært motstandsdyktig mot både kjemisk korrosjon og slitasje på grunn av friksjon. Ioneimplantasjon brukes til å designe overflatene til slike enheter for mer pålitelig ytelse. Som med verktøystål inkluderer målmodifikasjon forårsaket av ioneimplantasjon både overflatekompresjon for å forhindre sprekkforplantning og legering for å gjøre den mer kjemisk motstandsdyktig mot korrosjon.

Annetapplikasjoner

Implantasjon kan brukes til å oppnå blanding av ionestråler, det vil si blanding av atomer av forskjellige elementer ved grensesnittet. Dette kan være nyttig for å oppnå graderte overflater eller forbedre vedheft mellom lag med ikke-blandbare materialer.

Danning av nanopartikler

Ioneimplantasjon kan brukes til å indusere materialer i nanoskala i oksider som safir og silisiumdioksid. Atomer kan dannes som et resultat av nedbør eller dannelse av blandede stoffer som inneholder både et ion-implantert grunnstoff og et substrat.

Typiske ionestråleenergier som brukes for å oppnå nanopartikler er i området fra 50 til 150 keV, og ionefluensen er fra 10-16 til 10-18 kV. se En lang rekke materialer kan dannes med størrelser fra 1 nm til 20 nm og med sammensetninger som kan inneholde implanterte partikler, kombinasjoner som utelukkende består av en kation bundet til substratet.

Dielektrisk-baserte materialer som safir, som inneholder spredte nanopartikler av metallionimplantasjon, er lovende materialer for optoelektronikk og ikke-lineær optikk.

Problems

Hvert individuelle ion produserer mange punktdefekter i målkrystallen ved støt eller interstitial. Ledige stillinger er gitterpunkter som ikke er okkupert av et atom: i dette tilfellet kolliderer ionet med målatomet, noe som fører til overføring av en betydelig mengde energi til det, slik at det forlater sinplott. Dette målobjektet blir i seg selv et prosjektil i et solid legeme og kan forårsake påfølgende kollisjoner. Mellomrom oppstår når slike partikler stopper i et fast stoff, men ikke finner ledig plass i gitteret å leve i. Disse punktdefektene under ioneimplantasjon kan migrere og gruppere seg med hverandre, noe som fører til dannelse av dislokasjonsløkker og andre problemer.

Amorphization

Mengden av krystallografisk skade kan være tilstrekkelig til å fullstendig overføre måloverflaten, det vil si at den må bli et amorft fast stoff. I noen tilfeller er fullstendig amorfisering av målet å foretrekke fremfor en krystall med høy grad av defekt: en slik film kan vokse igjen ved en lavere temperatur enn det som kreves for å gløde en alvorlig skadet krystall. Amorfisering av underlaget kan oppstå som følge av stråleendringer. For eksempel når yttriumioner implanteres i safir med en stråleenergi på 150 keV opp til en fluens på 510-16 Y+/sq. cm dannes et glassaktig lag ca. 110 nm tykt, målt fra den ytre overflaten.

Spray

Noen av kollisjonshendelsene fører til at atomer kastes ut fra overflaten, og dermed vil ioneimplantasjon sakte etse bort overflaten. Effekten er bare merkbar ved svært store doser.

ionekanal

Hvis en krystallografisk struktur påføres målet, spesielt i halvledersubstrater der det er merer åpen, stopper bestemte veibeskrivelser mye mindre enn andre. Resultatet er at rekkevidden til et ion kan være mye større hvis det beveger seg nøyaktig langs en bestemt bane, for eksempel i silisium og andre diamantkubiske materialer. Denne effekten kalles ionekanalisering og er, som alle lignende effekter, svært ikke-lineær, med små avvik fra ideell orientering som resulterer i betydelige forskjeller i implantasjonsdybde. Av denne grunn kjører de fleste noen få grader utenfor aksen, hvor små justeringsfeil vil ha mer forutsigbare effekter.