Iontová implantace: koncept, princip činnosti, metody, účel a aplikace

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

Iontová implantace je nízkoteplotní proces, při kterém jsou složky jednoho prvku urychlovány na pevný povrch waferu, čímž se mění jeho fyzikální, chemické nebo elektrické vlastnosti. Tato metoda se používá při výrobě polovodičových součástek a při povrchové úpravě kovů a také ve výzkumu materiálové vědy. Komponenty mohou změnit elementární složení desky, pokud se zastaví a zůstanou v ní. Iontová implantace také způsobuje chemické a fyzikální změny, když se atomy srazí s cílem s vysokou energií. Krystalická struktura desky může být poškozena nebo dokonce zničena energetickými kaskádami srážek a částice s dostatečně vysokou energií (10 MeV) mohou způsobit jadernou transmutaci.

Obecný princip iontové implantace

Zařízení se obvykle skládá ze zdroje, kde se tvoří atomy požadovaného prvku, urychlovače, kde jsou elektrostaticky urychlovány na vysokouenergie a cílových komor, kde se srazí s cílem, což je materiál. Tento proces je tedy speciálním případem záření částic. Každý iont je obvykle jeden atom nebo molekula, a tak skutečné množství materiálu implantovaného do cíle je časový integrál iontového proudu. Toto číslo se nazývá dávka. Proudy dodávané implantáty jsou obvykle malé (mikroampéry), a proto je množství, které lze implantovat v rozumném čase, malé. Proto se iontová implantace používá v případech, kdy je počet požadovaných chemických změn malý.

Typické energie iontů se pohybují od 10 do 500 keV (1600 až 80000 aJ). Iontovou implantaci lze použít při nízkých energiích v rozsahu 1 až 10 keV (160 až 1600 aJ), ale penetrace je pouze několik nanometrů nebo méně. Výkon pod touto hodnotou vede k velmi malému poškození cíle a spadá pod označení depozice iontového paprsku. A lze použít i vyšší energie: běžné jsou urychlovače schopné 5 MeV (800 000 aJ). Často však dochází k velkému strukturálnímu poškození cíle, a protože distribuce hloubky je široká (Bragg peak), čistá změna složení v kterémkoli bodě cíle bude malá.

Energie iontů, stejně jako různé typy atomů a složení cíle určují hloubku průniku částic do pevné látky. Monoenergetický iontový paprsek má obvykle širokou distribuci hloubky. Průměrná penetrace se nazývá rozsah. Vza typických podmínek bude mezi 10 nanometry a 1 mikrometrem. Implantace iontů s nízkou energií je tedy zvláště užitečná v případech, kdy je žádoucí, aby chemická nebo strukturální změna byla blízko cílového povrchu. Částice při průchodu pevnou látkou postupně ztrácejí svou energii, a to jak náhodnými srážkami s cílovými atomy (které způsobují náhlé přenosy energie), tak mírným zpomalením z překrytí elektronových orbitalů, což je kontinuální proces. Ztráta energie iontů v cíli se nazývá stagnace a lze ji modelovat pomocí metody iontové implantace aproximace binární srážky.

Urychlovací systémy se obecně dělí na střední proud, vysokoproud, vysokou energii a velmi významnou dávku.

Všechny druhy konstrukcí svazku iontové implantace obsahují určité společné skupiny funkčních součástí. Zvažte příklady. Mezi první fyzikální a fyzikálně-chemické základy iontové implantace patří zařízení známé jako zdroj pro generování částic. Toto zařízení je úzce spojeno s předpjatými elektrodami pro extrakci atomů do linie paprsku a nejčastěji s některými prostředky pro výběr specifických režimů pro transport do hlavní sekce urychlovače. Volba „hmoty“je často doprovázena průchodem extrahovaného iontového paprsku oblastí magnetického pole s výstupní dráhou omezenou blokovacími otvory nebo „štěrbinami“, které propouštějí pouze ionty s určitou hodnotou součinu hmotnosti a rychlosti.. Pokud je cílový povrch větší než průměr iontového paprsku apokud je implantovaná dávka rovnoměrněji rozložena, pak se použije nějaká kombinace skenování paprskem a pohybu destičky. Nakonec je terč připojen k nějakému způsobu shromažďování nahromaděného náboje implantovaných iontů, takže dodávaná dávka může být měřena nepřetržitě a proces se zastaví na požadované úrovni.

Aplikace ve výrobě polovodičů

Doping borem, fosforem nebo arsenem je běžnou aplikací tohoto procesu. Při iontové implantaci polovodičů může každý atom dopantu po žíhání vytvořit nosič náboje. Můžete vytvořit díru pro dopant typu p a elektron typu n. Tím se mění vodivost polovodiče v jeho okolí. Tato technika se používá například k úpravě prahové hodnoty MOSFETu.

Iontová implantace byla vyvinuta jako metoda získání pn přechodu ve fotovoltaických zařízeních na konci 70. a počátkem 80. let 20. století spolu s využitím pulzního elektronového paprsku pro rychlé žíhání, ačkoli dosud nebyla komerčně využita.

Křemík na izolátoru

Jednou z dobře známých metod výroby tohoto materiálu na izolačních (SOI) substrátech z konvenčních křemíkových substrátů je proces SIMOX (separace kyslíkovou implantací), při kterém se vysokodávkovaný vzduch přeměňuje na oxid křemičitý proces vysokoteplotního žíhání.

Mezotaxe

Toto je termín pro krystalografický růstkoincidující fáze pod povrchem hlavního krystalu. V tomto procesu jsou ionty implantovány s dostatečně vysokou energií a dávkou do materiálu, aby vytvořily druhou fázovou vrstvu, a teplota je řízena tak, aby nedošlo ke zničení cílové struktury. Krystalová orientace vrstvy může být navržena tak, aby vyhovovala účelu, i když přesná mřížková konstanta může být velmi odlišná. Například po implantaci niklových iontů do křemíkového plátku lze vypěstovat vrstvu silicidu, ve které orientace krystalu odpovídá orientaci křemíku.

Aplikace na povrchovou úpravu kovu

Dusík nebo jiné ionty lze implantovat do terče z nástrojové oceli (jako je vrták). Strukturální změna vyvolává povrchovou kompresi v materiálu, která zabraňuje šíření trhlin a tím je odolnější vůči lomu.

Povrchová úprava

V některých aplikacích, například u protéz, jako jsou umělé klouby, je žádoucí mít terč, který je vysoce odolný jak proti chemické korozi, tak proti opotřebení v důsledku tření. Iontová implantace se používá k navrhování povrchů takových zařízení pro spolehlivější výkon. Stejně jako u nástrojových ocelí zahrnuje modifikace cíle způsobená implantací iontů jak povrchovou kompresi, aby se zabránilo šíření trhlin, tak legování, aby byla chemicky odolnější vůči korozi.

Jinéaplikace

Implantaci lze použít k dosažení míšení iontových paprsků, tedy míšení atomů různých prvků na rozhraní. To může být užitečné pro dosažení odstupňovaných povrchů nebo zvýšení adheze mezi vrstvami nemísitelných materiálů.

Tvorba nanočástic

Iontovou implantaci lze použít k indukci materiálů v nanoměřítku v oxidech, jako je safír a oxid křemičitý. Atomy mohou vznikat jako výsledek srážení nebo tvorby směsných látek, které obsahují jak iontově implantovaný prvek, tak substrát.

Typické energie iontového paprsku používané k získání nanočástic jsou v rozsahu od 50 do 150 keV a fluence iontů je od 10-16 do 10-18 kV. viz Široká škála materiálů může být vytvořena s velikostí od 1 nm do 20 nm as kompozicemi, které mohou obsahovat implantované částice, kombinace, které se skládají pouze z kationtu vázaného na substrát.

Materiály na dielektrické bázi, jako je safír, které obsahují rozptýlené nanočástice implantace kovových iontů, jsou slibnými materiály pro optoelektroniku a nelineární optiku.

Problémy

Každý jednotlivý iont vytváří mnoho bodových defektů v cílovém krystalu při dopadu nebo intersticiálním prostoru. Volná místa jsou body mřížky, které nejsou obsazeny atomem: v tomto případě se ion srazí s cílovým atomem, což vede k přenosu značného množství energie na něj, takže opustí svůjspiknutí. Tento cílový objekt se sám stane projektilem v pevném tělese a může způsobit následné kolize. Meziprostory vznikají, když se takové částice zastaví v pevné látce, ale nenajdou v mřížce žádný volný prostor, ve kterém by mohly žít. Tyto bodové defekty během implantace iontů mohou migrovat a shlukovat se, což vede k tvorbě dislokačních smyček a dalším problémům.

Amorfizace

Velikost krystalografického poškození může být dostatečná k úplnému přechodu cílového povrchu, to znamená, že se musí stát amorfní pevnou látkou. V některých případech je úplná amorfizace terče výhodnější než krystal s vysokým stupněm defektnosti: takový film může znovu růst při nižší teplotě, než je požadováno pro žíhání vážně poškozeného krystalu. V důsledku změn paprsku může dojít k amorfizaci substrátu. Například při implantaci yttriových iontů do safíru při energii paprsku 150 keV až do fluence 510-16 Y+/sq. cm se vytvoří skelná vrstva o tloušťce přibližně 110 nm, měřeno od vnějšího povrchu.

Sprej

Některé kolizní události způsobí vymrštění atomů z povrchu, a tak implantace iontů povrch pomalu odleptá. Účinek je patrný pouze u velmi velkých dávek.

Iontový kanál

Pokud je na cíl aplikována krystalografická struktura, zejména u polovodičových substrátů, kde je víceje otevřená, pak konkrétní směry zastavují mnohem méně než ostatní. Výsledkem je, že dosah iontu může být mnohem větší, pokud se pohybuje přesně po určité dráze, jako například v křemíku a jiných diamantových krychlových materiálech. Tento efekt se nazývá iontový kanál a jako všechny podobné efekty je vysoce nelineární, s malými odchylkami od ideální orientace, které vedou k významným rozdílům v hloubce implantace. Z tohoto důvodu většina běží o několik stupňů mimo osu, kde drobné chyby zarovnání budou mít předvídatelnější účinky.