Ionimplantasjon - Ion implantation

Et ionimplantasjonssystem ved LAAS teknologiske anlegg i Toulouse, Frankrike.

Ionimplantasjon er en lavtemperaturprosess der ioner av ett element akselereres til et fast mål, og derved endrer de fysiske, kjemiske eller elektriske egenskapene til målet. Ionimplantasjon brukes i produksjon av halvledere og i metallbearbeiding, samt i materialvitenskapelig forskning. Ionene kan endre elementets sammensetning av målet (hvis ionene avviker i sammensetning fra målet) hvis de stopper og forblir i målet. Ionimplantasjon forårsaker også kjemiske og fysiske endringer når ionene rammer målet ved høy energi. Den krystallstruktur av målet kan bli skadet eller til og med ødelagt ved den energiske kollisjons kaskader , og ionene av tilstrekkelig høy energi (10s MeV) kan føre kjernefysisk omdanning .

Generelt prinsipp

Ionimplantasjonsoppsett med masseutskiller

Ionimplantasjonsutstyr består vanligvis av en ionekilde , hvor ioner av det ønskede elementet produseres, en akselerator , hvor ionene blir elektrostatisk akselerert til en høy energi, og et målkammer, hvor ionene rammer et mål, som er materialet å bli implantert. Således er ionimplantasjon et spesielt tilfelle av partikkelstråling . Hvert ion er vanligvis et enkelt atom eller molekyl, og dermed er den faktiske mengden materiale som er implantert i målet integralen over tid av ionestrømmen. Denne mengden kalles dosen. Strømmene levert av implantater er vanligvis små (mikro-ampere), og derfor er dosen som kan implanteres i rimelig tid liten. Derfor finner ionimplantasjon anvendelse i tilfeller der mengden av kjemisk endring som kreves er liten.

Typiske ionenergier ligger i området 10 til 500 keV (1600 til 80 000 aJ). Energier i området 1 til 10 keV (160 til 1600 aJ) kan brukes, men resulterer i en penetrasjon på bare noen få nanometer eller mindre. Energier lavere enn dette resulterer i svært liten skade på målet, og faller under betegnelsen ionstråleposisjon . Høyere energier kan også brukes: akseleratorer som er i stand til 5 MeV (800 000 aJ) er vanlige. Imidlertid er det ofte store strukturelle skader på målet, og fordi dybdefordelingen er bred ( Bragg -toppen ), vil endringen i nettosammensetning på et hvilket som helst tidspunkt i målet være liten.

Ionenes energi, så vel som ionearter og målets sammensetning bestemmer dybden av ionene i faststoffet: En monoenergetisk ionestråle vil generelt ha en bred dybdefordeling. Den gjennomsnittlige penetrasjonsdybden kalles ioners rekkevidde. Under typiske omstendigheter vil ionområder være mellom 10 nanometer og 1 mikrometer. Således er ionimplantasjon spesielt nyttig i tilfeller der den kjemiske eller strukturelle endringen er ønsket å være nær overflaten av målet. Ioner mister gradvis energien sin når de beveger seg gjennom det faste stoffet, både fra sporadiske kollisjoner med målatomer (som forårsaker brå energioverføringer) og fra et mildt drag fra overlapping av elektronorbitaler, som er en kontinuerlig prosess. Tapet av ionenergi i målet kalles stopp og kan simuleres med tilnærmingsmetoden for binær kollisjon .

Akseleratorsystemer for ionimplantasjon er generelt klassifisert i middels strøm (ionestrømstrømmer mellom 10 μA og ~ 2 mA), høy strøm (ionestrømstrømmer opp til ~ 30 mA), høy energi (ionenergier over 200 keV og opptil 10 MeV ), og svært høy dose (effektivt implantat av dose større enn 10 ¹⁶ ioner/cm ² ).

Alle varianter av ionimplantasjonsstråle design inneholder visse generelle grupper av funksjonelle komponenter (se bildet). Det første store segmentet av en ionestrålelinje inkluderer en enhet kjent som en ionekilde for å generere ioneartene. Kilden er nært knyttet til forspente elektroder for ekstraksjon av ionene i strålelinjen og oftest til noen midler for å velge en bestemt ioneart for transport inn i hovedakseleratorseksjonen. "Masse" -valget blir ofte ledsaget av passering av den ekstraherte ionestrålen gjennom et magnetfeltområde med en utgangsbane begrenset av blokkerende åpninger, eller "slisser", som bare tillater ioner med en bestemt verdi av produktet av masse og hastighet/ lad for å fortsette nedover strålelinjen. Hvis måloverflaten er større enn ionestråldiameteren og en jevn fordeling av implantert dose er ønsket over måloverflaten, brukes en kombinasjon av stråleskanning og skivebevegelse. Til slutt er den implanterte overflaten koblet til en metode for å samle opp den akkumulerte ladningen til de implanterte ionene slik at den leverte dosen kan måles kontinuerlig og implantatprosessen stoppes ved ønsket doseringsnivå.

Søknad i produksjon av halvledere

Doping

Halvlederdoping med bor, fosfor eller arsen er en vanlig anvendelse av ionimplantasjon. Når det implanteres i en halvleder, kan hvert dopingatom lage en ladningsbærer i halvlederen etter glødning . Et hull kan opprettes for et dopemiddel av p-typen , og et elektron for et dopemiddel av n-type . Dette endrer ledningsevnen til halvlederen i nærheten. Teknikken brukes for eksempel til å justere terskelspenningen til en MOSFET .

Ionimplantasjon ble utviklet som en metode for å produsere pn-krysset mellom fotovoltaiske enheter på slutten av 1970-tallet og begynnelsen av 1980-tallet, sammen med bruk av pulserende elektronstråle for rask gløding, selv om den til dags dato ikke har blitt brukt til kommersiell produksjon.

Silisium på isolatoren

En fremstående metode for fremstilling av silisium på isolator (SOI) substrat fra konvensjonelle silisium substrater er den SIMOX (separasjon ved implantering av oksygen) prosess, hvor et nedgravd høy dose oksygen implantat omdannes til silisiumoksyd ved en høy temperatur glødeprosess.

Mesotaxy

Mesotaxy er betegnelsen for vekst av en krystallografisk matchende fase under overflaten av vertskrystallet (sammenlign med epitaxy , som er veksten av matchingsfasen på overflaten av et substrat). I denne prosessen implanteres ioner med høy nok energi og doseres i et materiale for å lage et lag av en andre fase, og temperaturen styres slik at krystallstrukturen til målet ikke blir ødelagt. Krystallorienteringen av laget kan konstrueres for å matche målets, selv om den eksakte krystallstrukturen og gitterkonstanten kan være veldig forskjellige. For eksempel, etter implantasjon av nikkelioner i en silisiumskive, kan det dyrkes et lag med nikkelsilicid der krystallorienteringen av silisidet samsvarer med silisiumets.

Søknad i metallfinish

Verktøystålherding

Nitrogen eller andre ioner kan implanteres i et verktøystålmål (for eksempel borekroner). Den strukturelle endringen forårsaket av implantasjonen gir en overflatekomprimering i stålet, som forhindrer sprekkutbredelse og dermed gjør materialet mer motstandsdyktig mot brudd. Den kjemiske endringen kan også gjøre verktøyet mer motstandsdyktig mot korrosjon.

Overflatebehandling

I noen applikasjoner, for eksempel proteser som kunstige ledd, er det ønskelig å ha overflater som er svært motstandsdyktige mot både kjemisk korrosjon og slitasje på grunn av friksjon. Ionimplantasjon brukes i slike tilfeller for å konstruere overflater på slike enheter for mer pålitelig ytelse. Som for verktøystål inkluderer overflatemodifikasjonen forårsaket av ionimplantasjon både en overflatekomprimering som forhindrer sprekkutbredelse og en legering av overflaten for å gjøre den mer kjemisk motstandsdyktig mot korrosjon.

Andre applikasjoner

Blanding av ionestråler

Ionimplantasjon kan brukes til å oppnå ionestråleblanding , dvs. blande atomer av forskjellige elementer ved et grensesnitt. Dette kan være nyttig for å oppnå graderte grensesnitt eller for å styrke vedheft mellom lag med ikke -blandbare materialer.

Ioneimplantasjon-indusert nanopartikkeldannelse

Ionimplantasjon kan brukes til å indusere nanodimensjonale partikler i oksider som safir og silika . Partiklene kan dannes som et resultat av utfelling av den ionimplanterte arten, de kan dannes som et resultat av produksjonen av en blandet oksydart som inneholder både det ionimplanterte elementet og oksidsubstratet, og de kan dannes som et resultat av en reduksjon av substratet, først rapportert av Hunt og Hampikian. Typiske ionestrålenergier som brukes til å produsere nanopartikler varierer fra 50 til 150 keV, med ionefluenser som varierer fra 10 ¹⁶ til 10 ¹⁸ ioner/cm ² . Tabellen nedenfor oppsummerer noe av arbeidet som har blitt utført på dette feltet for et safirunderlag. Et stort utvalg av nanopartikler kan dannes, med størrelsesområder fra 1 nm opp til 20 nm og med sammensetninger som kan inneholde de implanterte artene, kombinasjoner av det implanterte ionet og substratet, eller som utelukkende består av kationen forbundet med substratet .

Komposittmaterialer basert på dielektrikum som safir som inneholder dispergerte metall -nanopartikler er lovende materialer for optoelektronikk og ikke -lineær optikk .

Problemer med ionimplantasjon

Krystallografisk skade

Hvert enkelt ion produserer mange punktdefekter i målkrystallet ved påvirkning som ledige stillinger og mellomrom. Ledige stillinger er krystallgitterpunkter som ikke er okkupert av et atom: i dette tilfellet kolliderer ionet med et målatom, noe som resulterer i overføring av en betydelig mengde energi til målatomet slik at det forlater krystallstedet. Dette målatomet blir da selv et prosjektil i det faste stoffet, og kan forårsake påfølgende kollisjonshendelser . Mellomstillinger oppstår når slike atomer (eller selve det originale ionet) hviler i det faste stoffet, men finner ingen ledig plass i gitteret for å oppholde seg. Disse punktdefektene kan migrere og samle seg med hverandre, noe som resulterer i dislokasjonsløkker og andre defekter.

Gjenoppretting av skader

Fordi ionimplantasjon forårsaker skade på krystallstrukturen til målet som ofte er uønsket, blir ionimplantasjonsbehandling ofte fulgt av en termisk glødning. Dette kan omtales som skadegjenoppretting.

Amorfisering

Mengden krystallografisk skade kan være nok til å fullstendig amorfisere overflaten av målet: dvs. det kan bli et amorft fast stoff (et slikt fast stoff produsert fra en smelte kalles et glass ). I noen tilfeller er fullstendig amorfisering av et mål foretrukket fremfor en sterkt defekt krystall: En amorfisert film kan vokse på nytt ved en lavere temperatur enn nødvendig for å annealere en sterkt skadet krystall. Amorfisering av underlaget kan skje som følge av stråleskade. For eksempel, yttrium ione-implantering i safir ved en ionestråle energi på 150 keV til en fluens på 5 * 10 ¹⁶ Y ⁺ / cm ² gir et amorft glassaktig lag ca 110 nm i tykkelse, målt fra den ytre overflate. [Hunt, 1999]

Forstøvning

Noen av kollisjonshendelsene resulterer i at atomer blir kastet ut ( sprutet ) fra overflaten, og dermed vil ionimplantasjon sakte etse bort en overflate. Effekten er bare merkbar for svært store doser.

Ionkanalisering

En diamantkubisk krystall sett fra <110> retningen, og viser sekskantede ionekanaler.

Hvis det er en krystallografisk struktur til målet, og spesielt i halvledersubstrater der krystallstrukturen er mer åpen, tilbyr spesielle krystallografiske retninger mye lavere stopp enn andre retninger. Resultatet er at rekkevidden til et ion kan være mye lengre hvis ionet beveger seg nøyaktig langs en bestemt retning, for eksempel <110> -retningen i silisium og andre diamantkubikkmaterialer . Denne effekten kalles ionekanalisering , og er som alle kanaliseringseffektene svært ulineær, med små variasjoner fra perfekt orientering som resulterer i ekstreme forskjeller i implantasjonsdybde. Av denne grunn utføres mest implantasjon noen få grader utenfor aksen, hvor små justeringsfeil vil ha mer forutsigbare effekter.

Ionkanalisering kan brukes direkte i Rutherfords tilbakespredning og relaterte teknikker som en analytisk metode for å bestemme mengden og dybdeprofilen for skader i krystallinske tynne filmmaterialer.

Sikkerhet

Farlige materialer

I fabrikasjon wafers , giftige materialer slik som arsin og fosfin er ofte brukt i ione implanteringsapparat prosessen. Andre vanlige kreftfremkallende , etsende , brannfarlige eller giftige elementer inkluderer antimon , arsen , fosfor og bor . Halvlederfabrikker er sterkt automatiserte, men rester av farlige elementer i maskiner kan oppstå under service og i vakuumpumpemaskinvare .

Høye spenninger og partikkelakseleratorer

Høyspenningsforsyninger som brukes i ioneakseleratorer som er nødvendige for ionimplantasjon, kan utgjøre en risiko for elektrisk skade . I tillegg kan atomkollisjoner med høy energi generere røntgenstråler og i noen tilfeller annen ioniserende stråling og radionuklider . I tillegg til høyspenning utgjør partikkelakseleratorer som lineære partikkelakseleratorer for radiofrekvenser og plasmaakseleratorer med laservåkefelt andre farer.

Se også

• Stopp og rekkevidde av joner i materie

Referanser

Eksterne linker