Ion implantation: konsepto, prinsipyo ng operasyon, pamamaraan, layunin at aplikasyon

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 10:43

Ang Ion implantation ay isang prosesong mababa ang temperatura kung saan ang mga bahagi ng isang elemento ay pinabilis sa solid surface ng isang wafer, at sa gayon ay binabago ang pisikal, kemikal o elektrikal na mga katangian nito. Ang pamamaraang ito ay ginagamit sa paggawa ng mga semiconductor device at sa metal finishing, pati na rin sa mga materyales sa pananaliksik sa agham. Maaaring baguhin ng mga bahagi ang elemental na komposisyon ng plato kung hihinto sila at mananatili dito. Ang pagtatanim ng ion ay nagdudulot din ng mga kemikal at pisikal na pagbabago kapag ang mga atomo ay bumangga sa isang target sa mataas na enerhiya. Ang mala-kristal na istraktura ng plate ay maaaring masira o masira pa ng mga kaskad ng enerhiya ng mga banggaan, at ang mga particle na may sapat na mataas na enerhiya (10 MeV) ay maaaring magdulot ng nuclear transmutation.

Pangkalahatang prinsipyo ng ion implantation

Kagamitan ay karaniwang binubuo ng isang pinagmulan kung saan nabuo ang mga atom ng gustong elemento, isang accelerator kung saan ang mga ito ay electrostatically accelerated sa isang mataasenerhiya, at mga target na silid kung saan sila ay bumangga sa target, na kung saan ay ang materyal. Kaya, ang prosesong ito ay isang espesyal na kaso ng radiation ng butil. Ang bawat ion ay karaniwang isang atom o molekula, at sa gayon ang aktwal na dami ng materyal na itinanim sa target ay ang integral ng oras ng kasalukuyang ion. Ang numerong ito ay tinatawag na dosis. Ang mga agos na ibinibigay ng mga implant ay karaniwang maliit (microamps) at samakatuwid ang halaga na maaaring itanim sa isang makatwirang tagal ng panahon ay maliit. Samakatuwid, ginagamit ang ion implantation sa mga kaso kung saan maliit ang bilang ng mga pagbabagong kemikal na kinakailangan.

Ang mga karaniwang ion energies ay mula 10 hanggang 500 keV (1600 hanggang 80000 aJ). Maaaring gamitin ang ion implantation sa mababang enerhiya sa hanay na 1 hanggang 10 keV (160 hanggang 1600 aJ), ngunit ang penetration ay ilang nanometer lamang o mas kaunti. Ang kapangyarihan sa ibaba nito ay nagreresulta sa napakakaunting pinsala sa target at nahuhulog sa ilalim ng pagtatalaga ng ion beam deposition. At ang mas mataas na enerhiya ay maaari ding gamitin: ang mga accelerator na may kakayahang 5 MeV (800,000 aJ) ay karaniwan. Gayunpaman, kadalasan ay maraming pinsala sa istruktura ang target, at dahil malawak ang distribusyon ng lalim (Bragg peak), magiging maliit ang netong pagbabago sa komposisyon sa anumang punto sa target.

Ang enerhiya ng mga ions, pati na rin ang iba't ibang uri ng mga atomo at ang komposisyon ng target, ay tumutukoy sa lalim ng pagtagos ng mga particle sa isang solid. Ang isang monoenergetic ion beam ay karaniwang may malawak na pamamahagi ng lalim. Ang average na pagtagos ay tinatawag na saklaw. ATsa ilalim ng karaniwang mga kondisyon ito ay nasa pagitan ng 10 nanometer at 1 micrometer. Kaya, ang low energy ion implantation ay partikular na kapaki-pakinabang sa mga kaso kung saan ninanais na ang kemikal o structural na pagbabago ay malapit sa target na ibabaw. Ang mga particle ay unti-unting nawawalan ng enerhiya habang dumadaan sila sa isang solid, parehong mula sa random na banggaan sa mga target na atom (na nagiging sanhi ng biglaang paglipat ng enerhiya) at mula sa bahagyang pagbabawas ng bilis mula sa overlap ng mga orbital ng elektron, na isang tuluy-tuloy na proseso. Ang pagkawala ng enerhiya ng mga ions sa isang target ay tinatawag na stalling at maaaring i-modelo gamit ang ion implantation method ng binary collision approximation.

Ang mga sistema ng accelerator ay karaniwang inuri sa katamtamang kasalukuyang, mataas na kasalukuyang, mataas na enerhiya, at napakalaking dosis.

Lahat ng uri ng mga disenyo ng ion implantation beam ay naglalaman ng ilang partikular na karaniwang grupo ng mga functional na bahagi. Isaalang-alang ang mga halimbawa. Ang unang pisikal at physico-kemikal na pundasyon ng ion implantation ay kinabibilangan ng isang device na kilala bilang isang source para sa pagbuo ng mga particle. Ang device na ito ay malapit na nauugnay sa mga biased electrodes para sa pagkuha ng mga atoms sa beam line at kadalasan sa ilang paraan ng pagpili ng mga partikular na mode para sa transportasyon sa pangunahing seksyon ng accelerator. Ang pagpili ng "mass" ay kadalasang sinasamahan ng pagdaan ng na-extract na ion beam sa isang rehiyon ng magnetic field na may exit path na limitado sa pamamagitan ng pagharang ng mga butas o "slots" na nagpapahintulot lamang sa mga ion na may tiyak na halaga ng produkto ng masa at bilis.. Kung ang target na ibabaw ay mas malaki kaysa sa diameter ng ion beam atkung ang itinanim na dosis ay mas pantay na ibinahagi sa ibabaw nito, kung gayon ang ilang kumbinasyon ng pag-scan ng sinag at paggalaw ng plato ay ginagamit. Sa wakas, ang target ay konektado sa ilang paraan ng pagkolekta ng naipon na singil ng mga implanted ions upang ang inihatid na dosis ay masusukat nang tuluy-tuloy at ang proseso ay huminto sa nais na antas.

Application sa paggawa ng semiconductor

Doping na may boron, phosphorus o arsenic ay isang karaniwang aplikasyon ng prosesong ito. Sa ion implantation ng semiconductors, ang bawat dopant atom ay maaaring lumikha ng isang charge carrier pagkatapos ng pagsusubo. Maaari kang bumuo ng isang butas para sa isang p-type na dopant at isang n-type na elektron. Binabago nito ang conductivity ng semiconductor sa paligid nito. Ginagamit ang technique, halimbawa, para isaayos ang threshold ng isang MOSFET.

Ang Ion implantation ay binuo bilang isang paraan ng pagkuha ng pn junction sa mga photovoltaic device noong huling bahagi ng 1970s at unang bahagi ng 1980s, kasama ang paggamit ng pulsed electron beam para sa mabilis na pagsusubo, bagama't hindi pa ito na-komersyal hanggang sa kasalukuyan.

Silicon on insulator

Ang isa sa mga kilalang pamamaraan para sa paggawa ng materyal na ito sa mga substrate ng insulator (SOI) mula sa kumbensyonal na mga substrate ng silikon ay ang proseso ng SIMOX (separation by oxygen implantation), kung saan ang mataas na dosis na hangin ay na-convert sa silicon oxide sa pamamagitan ng isang proseso ng pagsusubo na may mataas na temperatura.

Mesotaxy

Ito ang termino para sa paglago sa crystallographicallycoinciding phase sa ilalim ng ibabaw ng pangunahing kristal. Sa prosesong ito, ang mga ions ay itinatanim sa isang sapat na mataas na enerhiya at dosis sa materyal upang lumikha ng pangalawang yugto ng layer, at ang temperatura ay kinokontrol upang ang target na istraktura ay hindi masira. Ang kristal na oryentasyon ng layer ay maaaring idisenyo upang umangkop sa layunin, kahit na ang eksaktong lattice constant ay maaaring ibang-iba. Halimbawa, pagkatapos magtanim ng mga nickel ions sa isang silicon na wafer, isang layer ng silicide ay maaaring palaguin kung saan ang kristal na oryentasyon ay tumutugma sa mga silicon.

Aplikasyon ng Metal Finish

Nitrogen o iba pang mga ion ay maaaring itanim sa isang tool na bakal na target (tulad ng drill). Ang pagbabago sa istruktura ay nag-uudyok ng pag-compress sa ibabaw sa materyal, na pumipigil sa pagdami ng crack at sa gayon ay ginagawa itong mas lumalaban sa bali.

Surface finish

Sa ilang mga aplikasyon, halimbawa para sa mga prosthesis tulad ng mga artipisyal na joints, ito ay kanais-nais na magkaroon ng isang target na lubos na lumalaban sa parehong kemikal na kaagnasan at pagkasira dahil sa friction. Ang ion implantation ay ginagamit upang idisenyo ang mga ibabaw ng naturang mga device para sa mas maaasahang pagganap. Tulad ng sa mga tool steel, ang target na pagbabago na dulot ng ion implantation ay kinabibilangan ng parehong surface compression upang maiwasan ang crack propagation at alloying upang gawin itong mas chemically resistant sa corrosion.

Iba paapplication

Maaaring gamitin ang implantation upang makamit ang paghahalo ng mga ion beam, iyon ay, paghahalo ng mga atom ng iba't ibang elemento sa interface. Maaari itong maging kapaki-pakinabang para sa pagkamit ng mga graduated surface o pagpapahusay ng adhesion sa pagitan ng mga layer ng hindi mapaghalo na mga materyales.

Pagbuo ng mga nanoparticle

Maaaring gamitin ang ion implantation para i-induce ang nanoscale materials sa mga oxide gaya ng sapphire at silicon dioxide. Maaaring mabuo ang mga atomo bilang resulta ng pag-ulan o pagbuo ng mga pinaghalong sangkap na parehong naglalaman ng elementong ion-implanted at substrate.

Ang mga karaniwang ion beam energies na ginagamit upang makakuha ng mga nanoparticle ay nasa hanay mula 50 hanggang 150 keV, at ang fluence ng ion ay mula 10-16 hanggang 10-18 kV. tingnan Ang isang malawak na iba't ibang mga materyales ay maaaring mabuo na may mga sukat mula 1 nm hanggang 20 nm at may mga komposisyon na maaaring maglaman ng mga implanted na particle, mga kumbinasyon na binubuo lamang ng isang kation na nakatali sa substrate.

Dielectric-based na materyales gaya ng sapphire, na naglalaman ng dispersed nanoparticle ng metal ion implantation, ay mga promising material para sa optoelectronics at nonlinear optics.

Problems

Ang bawat indibidwal na ion ay gumagawa ng maraming point defect sa target na kristal sa epekto o interstitial. Ang mga bakante ay mga lattice point na hindi inookupahan ng isang atom: sa kasong ito, ang ion ay bumangga sa target na atom, na humahantong sa paglipat ng isang malaking halaga ng enerhiya dito, upang umalis ito.balangkas. Ang target na bagay mismo ay nagiging projectile sa isang solidong katawan at maaaring magdulot ng sunud-sunod na banggaan. Nagaganap ang mga interstice kapag huminto ang mga particle sa isang solid ngunit walang mahanap na libreng espasyo sa sala-sala na tirahan. Ang mga point defect na ito sa panahon ng ion implantation ay maaaring mag-migrate at mag-cluster sa isa't isa, na humahantong sa pagbuo ng dislocation loops at iba pang mga problema.

Amorphization

Ang dami ng crystallographic na pinsala ay maaaring sapat upang ganap na mailipat ang target na ibabaw, iyon ay, dapat itong maging isang amorphous solid. Sa ilang mga kaso, ang kumpletong amorphization ng target ay mas mainam kaysa sa isang kristal na may mataas na antas ng depekto: ang naturang pelikula ay maaaring muling lumaki sa isang mas mababang temperatura kaysa sa kinakailangan para sa pagsusubo ng isang malubhang nasira na kristal. Ang amorphization ng substrate ay maaaring mangyari bilang resulta ng mga pagbabago sa beam. Halimbawa, kapag itinanim ang mga yttrium ions sa sapphire sa isang beam energy na 150 keV hanggang sa fluence na 510-16 Y+/sq. cm, nabuo ang isang vitreous layer na humigit-kumulang 110 nm ang kapal, na sinusukat mula sa panlabas na ibabaw.

Spray

Ang ilan sa mga kaganapan sa banggaan ay nagdudulot ng paglabas ng mga atom mula sa ibabaw, at sa gayon ang ion implantation ay dahan-dahang mag-uukit sa ibabaw. Ang epekto ay kapansin-pansin lamang para sa napakalaking dosis.

Ion channel

Kung ang isang crystallographic na istraktura ay inilapat sa target, lalo na sa mga semiconductor substrates kung saan ito ay higit paay bukas, pagkatapos ay humihinto ang mga partikular na direksyon kaysa sa iba. Ang resulta ay ang hanay ng isang ion ay maaaring maging mas malaki kung ito ay gumagalaw nang eksakto sa isang tiyak na landas, tulad ng sa silicon at iba pang mga materyales na kubiko ng diyamante. Ang epektong ito ay tinatawag na ion channeling at, tulad ng lahat ng katulad na epekto, ay lubos na hindi linear, na may maliliit na paglihis mula sa perpektong oryentasyon na nagreresulta sa mga makabuluhang pagkakaiba sa lalim ng pagtatanim. Para sa kadahilanang ito, karamihan ay tumatakbo ng ilang degrees off-axis, kung saan ang maliliit na alignment error ay magkakaroon ng mas predictable effect.