Jonimplantation: koncept, funktionsprincip, metoder, syfte och tillämpning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Jonimplantation är en lågtemperaturprocess genom vilken komponenterna i ett enskilt element accelereras in i den fasta ytan på en wafer, och därigenom ändrar dess fysikaliska, kemiska eller elektriska egenskaper. Denna metod används vid tillverkning av halvledarenheter och vid metallbearbetning, såväl som i materialvetenskaplig forskning. Komponenter kan ändra plattans elementära sammansättning om de stannar och stannar kvar i den. Jonimplantation orsakar också kemiska och fysiska förändringar när atomer kolliderar med ett mål med hög energi. Den kristallina strukturen av plattan kan skadas eller till och med förstöras av energikaskader av kollisioner, och partiklar med tillräckligt hög energi (10 MeV) kan orsaka kärntransmutation.

Allmän princip för jonimplantation

Utrustning består vanligtvis av en källa där atomer av det önskade grundämnet bildas, en accelerator där de elektrostatiskt accelereras till en högenergi, och målkammare där de kolliderar med målet, som är materialet. Således är denna process ett specialfall av partikelstrålning. Varje jon är vanligtvis en enda atom eller molekyl, och därför är den faktiska mängden material som implanteras i målet tidsintegralen av jonströmmen. Detta nummer kallas dosen. Strömmarna som tillförs av implantat är vanligtvis små (mikroampere) och därför är mängden som kan implanteras inom rimlig tid liten. Därför används jonimplantation i fall där antalet kemiska förändringar som krävs är litet.

Typiska jonenergier sträcker sig från 10 till 500 keV (1600 till 80000 aJ). Jonimplantation kan användas vid låga energier i intervallet 1 till 10 keV (160 till 1600 aJ), men penetrationen är bara några få nanometer eller mindre. Effekt under detta resulterar i mycket liten skada på målet och faller under beteckningen jonstråleavsättning. Och högre energier kan också användas: acceleratorer som kan 5 MeV (800 000 aJ) är vanliga. Det finns dock ofta en hel del strukturella skador på målet, och eftersom djupfördelningen är bred (Bragg-topp), kommer nettoförändringen i sammansättning vid någon punkt på målet att vara liten.

Jonernas energi, såväl som olika typer av atomer och målets sammansättning, bestämmer partiklarnas penetrationsdjup i ett fast ämne. En monoenergetisk jonstråle har vanligtvis en bred djupfördelning. Den genomsnittliga penetrationen kallas intervallet. PÅunder typiska förhållanden kommer den att vara mellan 10 nanometer och 1 mikrometer. Sålunda är lågenergijonimplantation särskilt användbar i fall där det är önskvärt att den kemiska eller strukturella förändringen är nära målytan. Partiklar förlorar gradvis sin energi när de passerar genom ett fast ämne, både från slumpmässiga kollisioner med målatomer (som orsakar abrupta energiöverföringar) och från lätt retardation från överlappningen av elektronorbitaler, vilket är en kontinuerlig process. Energiförlusten av joner i ett mål kallas stalling och kan modelleras med hjälp av jonimplantationsmetoden för den binära kollisionsapproximationen.

Acceleratorsystem klassificeras i allmänhet i medelström, hög ström, hög energi och mycket betydande dos.

Alla varianter av strålar för jonimplantation innehåller vissa vanliga grupper av funktionella komponenter. Tänk på exempel. De första fysiska och fysikalisk-kemiska grunderna för jonimplantation inkluderar en anordning känd som en källa för att generera partiklar. Denna anordning är nära förknippad med förspända elektroder för att extrahera atomer i strållinjen och oftast med något sätt att välja specifika transportsätt till acceleratorns huvudsektion. Valet av "massa" åtföljs ofta av passagen av den extraherade jonstrålen genom ett område av magnetfält med en utgångsväg begränsad av blockerande hål eller "slitsar" som endast tillåter joner med ett visst värde av produkten av massa och hastighet. Om målytan är större än jonstrålens diameter ochom den implanterade dosen är mer jämnt fördelad över den, används någon kombination av strålskanning och plattrörelse. Slutligen är målet kopplat till något sätt att samla upp den ackumulerade laddningen av de implanterade jonerna så att den tillförda dosen kan mätas kontinuerligt och processen stoppas vid önskad nivå.

Applikation i halvledartillverkning

Dopning med bor, fosfor eller arsenik är en vanlig tillämpning av denna process. Vid jonimplantation av halvledare kan varje dopningsatom skapa en laddningsbärare efter glödgning. Du kan bygga ett hål för ett dopmedel av p-typ och en elektron av n-typ. Detta ändrar konduktiviteten hos halvledaren i dess närhet. Tekniken används till exempel för att justera tröskeln för en MOSFET.

Jonimplantation utvecklades som en metod för att erhålla en pn-övergång i solcellsapparater i slutet av 1970-talet och början av 1980-talet, tillsammans med användningen av en pulsad elektronstråle för snabb glödgning, även om den inte har kommersialiserats hittills.

Silicon on isolator

En av de välkända metoderna för att framställa detta material på isolatorsubstrat (SOI) från konventionella kiselsubstrat är SIMOX-processen (separation genom oxygenimplantation), där högdosluft omvandlas till kiseloxid genom en högtemperaturglödgningsprocess.

Mesotaxy

Detta är termen för tillväxt kristallografisktsammanfallande fas under ytan av huvudkristallen. I denna process implanteras joner med tillräckligt hög energi och doser i materialet för att skapa ett andra faslager, och temperaturen kontrolleras så att målstrukturen inte förstörs. Skiktets kristallorientering kan utformas för att passa syftet, även om den exakta gitterkonstanten kan vara mycket olika. Till exempel, efter implantering av nickeljoner i en kiselskiva, kan ett lager av silicid odlas i vilket kristallorienteringen matchar kiselorienteringen.

Metal Finish Application

Kväve eller andra joner kan implanteras i ett verktygsstålmål (som en borr). Den strukturella förändringen inducerar ytkompression i materialet, vilket förhindrar sprickutbredning och därmed gör det mer motståndskraftigt mot brott.

Ytfinish

I vissa applikationer, till exempel för proteser som konstgjorda leder, är det önskvärt att ha ett mål som är mycket motståndskraftigt mot både kemisk korrosion och slitage på grund av friktion. Jonimplantation används för att designa ytorna på sådana enheter för mer tillförlitlig prestanda. Precis som med verktygsstål inkluderar målmodifiering orsakad av jonimplantation både ytkompression för att förhindra sprickutbredning och legering för att göra den mer kemiskt motståndskraftig mot korrosion.

Annatapplikationer

Implantation kan användas för att uppnå blandning av jonstrålar, det vill säga blandning av atomer av olika element vid gränssnittet. Detta kan vara användbart för att uppnå graderade ytor eller förbättra vidhäftningen mellan lager av oblandbara material.

Formation av nanopartiklar

Jonimplantation kan användas för att inducera material i nanoskala i oxider som safir och kiseldioxid. Atomer kan bildas som ett resultat av utfällning eller bildning av blandade ämnen som innehåller både ett jonimplanterat grundämne och ett substrat.

Typiska jonstråleenergier som används för att erhålla nanopartiklar ligger i intervallet från 50 till 150 keV, och jonfluensen är från 10-16 till 10-18 kV. se En mängd olika material kan formas med storlekar från 1 nm till 20 nm och med kompositioner som kan innehålla implanterade partiklar, kombinationer som enbart består av en katjon bunden till substratet.

Dielektriskt baserade material som safir, som innehåller dispergerade nanopartiklar av metalljonimplantation, är lovande material för optoelektronik och olinjär optik.

Problems

Varje individuell jon producerar många punktdefekter i målkristallen vid anslag eller interstitial. Vakanser är gitterpunkter som inte upptas av en atom: i det här fallet kolliderar jonen med målatomen, vilket leder till överföring av en betydande mängd energi till den, så att den lämnar sinkomplott. Detta målobjekt i sig blir en projektil i en fast kropp och kan orsaka på varandra följande kollisioner. Mellanrum uppstår när sådana partiklar stannar i ett fast ämne men inte hittar något ledigt utrymme i gittret att leva i. Dessa punktdefekter under jonimplantation kan migrera och klunga ihop sig med varandra, vilket leder till bildandet av dislokationsslingor och andra problem.

Amorphization

Mängden kristallografiska skador kan vara tillräcklig för att helt övergå målytan, det vill säga den måste bli ett amorft fast ämne. I vissa fall är fullständig amorfisering av målet att föredra framför en kristall med en hög grad av defekt: en sådan film kan återväxa vid en lägre temperatur än vad som krävs för att glödga en allvarligt skadad kristall. Amorfisering av substratet kan uppstå som ett resultat av strålförändringar. Till exempel, när yttriumjoner implanteras i safir med en strålenergi på 150 keV upp till en fluens på 510-16 Y+/sq. cm bildas ett glasaktigt lager med en tjocklek av cirka 110 nm, mätt från den yttre ytan.

Spray

Några av kollisionshändelserna gör att atomer stöts ut från ytan, och därmed kommer jonimplantation långsamt att etsa bort ytan. Effekten märks endast vid mycket stora doser.

jonkanal

Om en kristallografisk struktur appliceras på målet, speciellt i halvledarsubstrat där det är merär öppen, då stannar specifika riktningar mycket mindre än andra. Resultatet är att räckvidden för en jon kan bli mycket större om den rör sig exakt längs en viss bana, till exempel i kisel och andra diamantkubiska material. Denna effekt kallas jonkanalisering och är, precis som alla liknande effekter, mycket icke-linjär, med små avvikelser från ideal orientering vilket resulterar i betydande skillnader i implantationsdjup. Av denna anledning kör de flesta några grader utanför axeln, där små inriktningsfel kommer att ha mer förutsägbara effekter.