Ionska implantacija: koncept, princip delovanja, metode, namen in uporaba
Ionska implantacija: koncept, princip delovanja, metode, namen in uporaba

Video: Ionska implantacija: koncept, princip delovanja, metode, namen in uporaba

Video: Ionska implantacija: koncept, princip delovanja, metode, namen in uporaba
Video: Спецодежда Полукомбинезон и Куртка Россия Лето #Спецодежда #россия #ремонт #стройка 2024, Marec
Anonim

Ionska implantacija je nizkotemperaturni proces, s katerim se komponente posameznega elementa pospešijo v trdno površino rezine, s čimer se spremenijo njene fizikalne, kemične ali električne lastnosti. Ta metoda se uporablja pri proizvodnji polprevodniških naprav in pri obdelavi kovin, pa tudi pri raziskavah v znanosti o materialih. Komponente lahko spremenijo elementarno sestavo plošče, če se ustavijo in ostanejo v njej. Ionska implantacija povzroči tudi kemične in fizikalne spremembe, ko atomi trčijo ob tarčo pri visoki energiji. Kristalno strukturo plošče lahko poškodujejo ali celo uničijo energijske kaskade trkov, delci dovolj visoke energije (10 MeV) pa lahko povzročijo jedrsko transmutacijo.

Splošno načelo ionske implantacije

osnove implantacije
osnove implantacije

Oprema je običajno sestavljena iz vira, kjer nastanejo atomi želenega elementa, pospeševalnika, kjer se elektrostatično pospešujejo do visokeenergije in ciljne komore, kjer trčijo v tarčo, ki je material. Tako je ta proces poseben primer sevanja delcev. Vsak ion je običajno en sam atom ali molekula, zato je dejanska količina materiala, vstavljenega v tarčo, časovni integral ionskega toka. To število se imenuje odmerek. Tokovi, ki jih napajajo vsadki, so običajno majhni (mikroamperi), zato je količina, ki jo je mogoče vsaditi v razumnem času, majhna. Zato se ionska implantacija uporablja v primerih, ko je število potrebnih kemičnih sprememb majhno.

Tipične energije ionov se gibljejo od 10 do 500 keV (1600 do 80000 aJ). Ionska implantacija se lahko uporablja pri nizkih energijah v območju od 1 do 10 keV (160 do 1600 aJ), vendar je penetracija le nekaj nanometrov ali manj. Moč pod to povzroči zelo malo poškodbe tarče in spada pod oznako odlaganja ionskega žarka. Uporabljajo se lahko tudi višje energije: pogosti so pospeševalniki z močjo 5 MeV (800.000 aJ). Vendar pa je na tarči pogosto veliko strukturnih poškodb in ker je globinska porazdelitev široka (Braggov vrh), bo neto sprememba sestave na kateri koli točki tarče majhna.

Energija ionov, pa tudi različne vrste atomov in sestava tarče, določajo globino prodiranja delcev v trdno snov. Monoenergetski ionski žarek ima običajno široko porazdelitev globine. Povprečna penetracija se imenuje razpon. ATv tipičnih pogojih bo med 10 nanometri in 1 mikrometrom. Tako je nizkoenergijska ionska implantacija še posebej uporabna v primerih, ko je zaželeno, da je kemična ali strukturna sprememba blizu ciljne površine. Delci postopoma izgubljajo svojo energijo, ko prehajajo skozi trdno snov, tako zaradi naključnih trkov s ciljnimi atomi (ki povzročajo nenadne prenose energije) kot zaradi rahlega upočasnjevanja zaradi prekrivanja elektronskih orbital, kar je stalen proces. Izguba energije ionov v tarči se imenuje zastoj in jo je mogoče modelirati z uporabo metode ionske implantacije približka binarnega trka.

Pospeševalni sistemi so na splošno razvrščeni v srednje tok, visok tok, visoko energijo in zelo pomemben odmerek.

Vse različice modelov žarkov za ionsko implantacijo vsebujejo določene skupne skupine funkcionalnih komponent. Razmislite o primerih. Prvi fizikalni in fizikalno-kemijski temelji ionske implantacije vključujejo napravo, znano kot vir za generiranje delcev. Ta naprava je tesno povezana s pristranskimi elektrodami za ekstrakcijo atomov v snop snopa in najpogosteje z nekaterimi sredstvi za izbiro specifičnih načinov za transport v glavni del pospeševalnika. Izbira "mase" pogosto spremlja prehod ekstrahiranega ionskega snopa skozi območje magnetnega polja z izstopno potjo, omejeno z blokirnimi luknjami ali "režami", ki omogočajo le ione z določeno vrednostjo produkta mase in hitrosti.. Če je ciljna površina večja od premera ionskega žarka inče je implantirana doza bolj enakomerno porazdeljena po njej, se uporabi neka kombinacija skeniranja žarka in premikanja plošče. Končno je tarča povezana z nekim načinom zbiranja akumuliranega naboja implantiranih ionov, tako da se lahko dostavljeni odmerek meri neprekinjeno in se proces ustavi na želeni ravni.

Uporaba v proizvodnji polprevodnikov

Doping z borom, fosforjem ali arzenom je pogosta uporaba tega postopka. Pri ionski implantaciji polprevodnikov lahko vsak dopantni atom po žarjenju ustvari nosilec naboja. Lahko zgradite luknjo za dopant p-tipa in elektron tipa n. To spremeni prevodnost polprevodnika v njegovi bližini. Tehnika se uporablja na primer za prilagajanje praga MOSFET.

Ionska implantacija je bila razvita kot metoda za pridobitev pn spoja v fotovoltaičnih napravah v poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja, skupaj z uporabo impulznega elektronskega žarka za hitro žarjenje, čeprav do danes ni bila komercializirana.

Silicij na izolatorju

fizikalne in fizikalno-kemijske osnove
fizikalne in fizikalno-kemijske osnove

Ena od dobro znanih metod za proizvodnjo tega materiala na izolacijskih (SOI) substratih iz običajnih silicijevih substratov je SIMOX (ločitev z implantacijo kisika) proces, pri katerem se zrak z visokimi odmerki pretvori v silicijev oksid preko visokotemperaturni postopek žarjenja.

Mezotaksija

To je izraz za kristalografsko rastsovpadajoča faza pod površino glavnega kristala. V tem procesu se ioni vsadijo v material z dovolj visoko energijo in dozo, da ustvarijo drugo fazno plast, temperaturo pa nadziramo tako, da se ciljna struktura ne uniči. Kristalna orientacija plasti je lahko zasnovana tako, da ustreza namenu, tudi če je natančna konstanta rešetke lahko zelo različna. Na primer, po implantaciji nikljevih ionov v silicijevo rezino lahko zraste plast silicida, v kateri se kristalna orientacija ujema s orientacijo silicija.

Nanos kovinske obdelave

fizikalno-kemijske osnove implantacije
fizikalno-kemijske osnove implantacije

Dušik ali druge ione lahko vsadimo v tarčo iz orodnega jekla (kot je vrtalnik). Strukturna sprememba povzroči površinsko stiskanje v materialu, kar preprečuje širjenje razpok in ga tako naredi bolj odpornega na lom.

površinska obdelava

fizična osnova ionske implantacije
fizična osnova ionske implantacije

V nekaterih aplikacijah, na primer za proteze, kot so umetni sklepi, je zaželeno imeti tarčo, ki je zelo odporna tako na kemično korozijo kot na obrabo zaradi trenja. Ionska implantacija se uporablja za oblikovanje površin takšnih naprav za bolj zanesljivo delovanje. Tako kot pri orodnih jeklih tudi modifikacija tarče, ki jo povzroči ionska implantacija, vključuje površinsko stiskanje za preprečevanje širjenja razpok in legiranje, da postane kemično bolj odporno proti koroziji.

Drugoaplikacije

kemična osnova ionske implantacije
kemična osnova ionske implantacije

Implantacijo lahko uporabimo za mešanje ionskih žarkov, to je mešanje atomov različnih elementov na vmesniku. To je lahko uporabno za doseganje graduiranih površin ali izboljšanje oprijema med plastmi materialov, ki se ne mešajo.

Tvorba nanodelcev

Ionska implantacija se lahko uporablja za induciranje materialov na nanosmeru v okside, kot sta safir in silicijev dioksid. Atomi lahko nastanejo kot posledica padavin ali tvorbe mešanih snovi, ki vsebujejo tako ionsko implantiran element kot substrat.

Tipične energije ionskega žarka, ki se uporabljajo za pridobivanje nanodelcev, so v območju od 50 do 150 keV, fluence ionov pa je od 10-16 do 10-18 kV. glej Veliko različnih materialov je mogoče oblikovati z velikostmi od 1 nm do 20 nm in s sestavki, ki lahko vsebujejo implantirane delce, kombinacije, ki so sestavljene samo iz kationa, vezanega na substrat.

Materiali na osnovi dielektrika, kot je safir, ki vsebujejo razpršene nanodelce implantacije kovinskih ionov, so obetavni materiali za optoelektroniko in nelinearno optiko.

Probleme

Vsak posamezen ion povzroči številne točkovne napake v ciljnem kristalu ob udarcu ali vmesnem delu. Prosta mesta so točke mreže, ki jih atom ne zaseda: v tem primeru ion trči v ciljni atom, kar vodi do prenosa znatne količine energije nanj, tako da zapusti svojzaplet. Ta ciljni predmet sam postane projektil v trdnem telesu in lahko povzroči zaporedne trke. Vmesni prostori nastanejo, ko se takšni delci ustavijo v trdni snovi, vendar ne najdejo prostega prostora v mreži, v katerem bi živeli. Te točkovne napake med ionsko implantacijo se lahko selijo in se združijo med seboj, kar vodi do nastanka dislokacijskih zank in drugih težav.

Amorfizacija

Količina kristalografske poškodbe lahko zadostuje za popoln prehod ciljne površine, to pomeni, da mora postati amorfna trdna snov. V nekaterih primerih je popolna amorfizacija tarče boljša od kristala z visoko stopnjo pomanjkljivosti: tak film lahko ponovno zraste pri nižji temperaturi, kot je potrebna za žarjenje močno poškodovanega kristala. Amorfizacija substrata se lahko pojavi kot posledica sprememb žarka. Na primer, pri implantaciji itrijevih ionov v safir pri energiji žarka 150 keV do fluence 510-16 Y+/sq. cm, nastane steklena plast debeline približno 110 nm, merjeno od zunanje površine.

Spray

ionska implantacija
ionska implantacija

Nekateri dogodki trka povzročijo, da se atomi izvržejo s površine, zato bo ionska implantacija počasi odrezala površino. Učinek je opazen le pri zelo velikih odmerkih.

ionski kanal

fizikalne in fizikalno-kemijske osnove
fizikalne in fizikalno-kemijske osnove

Če se na tarčo nanese kristalografska struktura, zlasti v polprevodniških substratih, kjer je večje odprta, se določene smeri ustavijo veliko manj kot druge. Rezultat je, da je razpon iona lahko veliko večji, če se premika točno po določeni poti, na primer v siliciju in drugih diamantnih kubičnih materialih. Ta učinek se imenuje ionsko kanaliziranje in je, tako kot vsi podobni učinki, zelo nelinearen, z majhnimi odstopanji od idealne orientacije, ki povzročijo pomembne razlike v globini implantacije. Iz tega razloga večina teče za nekaj stopinj zunaj osi, kjer bodo imele majhne napake pri poravnavi bolj predvidljive učinke.

Priporočena: