Ionenimplantatie: concept, werkingsprincipe, methoden, doel en toepassing
Ionenimplantatie: concept, werkingsprincipe, methoden, doel en toepassing

Video: Ionenimplantatie: concept, werkingsprincipe, methoden, doel en toepassing

Video: Ionenimplantatie: concept, werkingsprincipe, methoden, doel en toepassing
Video: Writing Off Clothes for Work | Can Clothing Be a Tax Deduction? 2024, Maart
Anonim

Ionenimplantatie is een proces bij lage temperatuur waarbij de componenten van een enkel element worden versneld in het vaste oppervlak van een wafel, waardoor de fysieke, chemische of elektrische eigenschappen ervan veranderen. Deze methode wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiderapparaten en bij metaalafwerking, evenals bij materiaalwetenschappelijk onderzoek. Componenten kunnen de elementaire samenstelling van de plaat veranderen als ze stoppen en erin blijven. Ionenimplantatie veroorzaakt ook chemische en fysieke veranderingen wanneer atomen met hoge energie botsen met een doelwit. De kristallijne structuur van de plaat kan worden beschadigd of zelfs vernietigd door energiecascades van botsingen, en deeltjes met voldoende hoge energie (10 MeV) kunnen nucleaire transmutatie veroorzaken.

Algemeen principe van ionenimplantatie

basisprincipes van implantatie
basisprincipes van implantatie

Apparatuur bestaat meestal uit een bron waar atomen van het gewenste element worden gevormd, een versneller waar ze elektrostatisch worden versneld tot een hogeenergie, en doelkamers waar ze botsen met het doel, dat is het materiaal. Dit proces is dus een speciaal geval van deeltjesstraling. Elk ion is gewoonlijk een enkel atoom of molecuul, en dus is de werkelijke hoeveelheid materiaal die in het doelwit wordt geïmplanteerd, de tijdsintegraal van de ionenstroom. Dit nummer wordt de dosis genoemd. De stroom die door implantaten wordt geleverd, is meestal klein (microampère) en daarom is de hoeveelheid die in een redelijke tijdsperiode kan worden geïmplanteerd klein. Daarom wordt ionenimplantatie gebruikt in gevallen waar het aantal vereiste chemische veranderingen klein is.

Typische ionenenergieën variëren van 10 tot 500 keV (1600 tot 80000 aJ). Ionenimplantatie kan worden gebruikt bij lage energieën in het bereik van 1 tot 10 keV (160 tot 1600 aJ), maar de penetratie is slechts enkele nanometers of minder. Een vermogen daaronder resulteert in zeer weinig schade aan het doel en v alt onder de aanduiding van ionenbundeldepositie. En hogere energieën kunnen ook worden gebruikt: versnellers die in staat zijn tot 5 MeV (800.000 aJ) zijn gebruikelijk. Er is echter vaak veel structurele schade aan het doel, en omdat de diepteverdeling breed is (Bragg-piek), zal de netto verandering in samenstelling op elk punt op het doel klein zijn.

De energie van de ionen, evenals de verschillende soorten atomen en de samenstelling van het doelwit, bepalen de penetratiediepte van deeltjes in een vaste stof. Een mono-energetische ionenbundel heeft meestal een brede diepteverdeling. De gemiddelde penetratie wordt de range genoemd. BIJonder typische omstandigheden zal dit tussen 10 nanometer en 1 micrometer zijn. Ionenimplantatie met lage energie is dus in het bijzonder bruikbaar in gevallen waarin het gewenst is dat de chemische of structurele verandering nabij het doeloppervlak is. Deeltjes verliezen geleidelijk hun energie wanneer ze door een vaste stof gaan, zowel door willekeurige botsingen met doelatomen (die abrupte energieoverdrachten veroorzaken) als door lichte vertraging door de overlap van elektronenorbitalen, wat een continu proces is. Het energieverlies van ionen in een doelwit wordt stalling genoemd en kan worden gemodelleerd met behulp van de ionenimplantatiemethode van de binaire botsingsbenadering.

Versnellingssystemen worden over het algemeen ingedeeld in middenstroom, hoge stroomsterkte, hoge energie en zeer significante dosis.

Alle varianten van ionenimplantatiestraalontwerpen bevatten bepaalde gemeenschappelijke groepen functionele componenten. Denk aan voorbeelden. De eerste fysische en fysisch-chemische fundamenten van ionenimplantatie omvatten een apparaat dat bekend staat als een bron voor het genereren van deeltjes. Dit apparaat is nauw verbonden met voorgespannen elektroden voor het extraheren van atomen in de bundellijn en meestal met een manier om specifieke modi te selecteren voor transport naar het hoofdgedeelte van de versneller. De selectie van "massa" gaat vaak gepaard met de passage van de geëxtraheerde ionenbundel door een gebied van magnetisch veld met een uitgangspad dat wordt beperkt door gaten of "sleuven" te blokkeren die alleen ionen toelaten met een bepaalde waarde van het product van massa en snelheid. Als het doeloppervlak groter is dan de diameter van de ionenbundel enals de geïmplanteerde dosis er gelijkmatiger over wordt verdeeld, wordt een combinatie van bundelscanning en plaatbeweging gebruikt. Ten slotte is het doelwit verbonden met een manier om de geaccumuleerde lading van de geïmplanteerde ionen te verzamelen, zodat de afgegeven dosis continu kan worden gemeten en het proces op het gewenste niveau kan worden gestopt.

Toepassing in de productie van halfgeleiders

Doping met boor, fosfor of arseen is een veel voorkomende toepassing van dit proces. Bij ionenimplantatie van halfgeleiders kan elk doteringsatoom na uitgloeien een ladingsdrager creëren. Je kunt een gat maken voor een p-type doteringsstof en een n-type elektron. Dit verandert de geleidbaarheid van de halfgeleider in zijn omgeving. De techniek wordt bijvoorbeeld gebruikt om de drempel van een MOSFET aan te passen.

Ionenimplantatie werd eind jaren zeventig en begin jaren tachtig ontwikkeld als een methode voor het verkrijgen van een pn-overgang in fotovoltaïsche apparaten, samen met het gebruik van een gepulste elektronenstraal voor snelle uitgloeiing, hoewel het tot op heden niet op de markt is gebracht.

Silicium op isolator

fysische en fysisch-chemische fundamenten
fysische en fysisch-chemische fundamenten

Een van de bekende methoden voor het produceren van dit materiaal op isolatorsubstraten (SOI) van conventionele siliciumsubstraten is het SIMOX-proces (scheiding door zuurstofimplantatie), waarbij hooggedoseerde lucht wordt omgezet in siliciumoxide via een gloeiproces op hoge temperatuur.

Mesotaxie

Dit is de term voor kristallografische groeisamenvallende fase onder het oppervlak van het hoofdkristal. In dit proces worden ionen met een voldoende hoge energie en dosis in het materiaal geïmplanteerd om een tweede faselaag te creëren, en de temperatuur wordt gecontroleerd zodat de doelstructuur niet wordt vernietigd. De kristaloriëntatie van de laag kan worden ontworpen om aan het doel te voldoen, zelfs als de exacte roosterconstante heel anders kan zijn. Na het implanteren van nikkelionen in een siliciumwafel kan bijvoorbeeld een laag silicide worden gekweekt waarin de kristaloriëntatie overeenkomt met die van silicium.

Metal Finish Application

fysisch-chemische basis van implantatie
fysisch-chemische basis van implantatie

Stikstof of andere ionen kunnen worden geïmplanteerd in een doelwit van gereedschapsstaal (zoals een boor). De structurele verandering veroorzaakt oppervlaktecompressie in het materiaal, waardoor scheurgroei wordt voorkomen en het dus beter bestand is tegen breuk.

Oppervlakteafwerking

fysieke basis van ionenimplantatie
fysieke basis van ionenimplantatie

In sommige toepassingen, bijvoorbeeld voor prothesen zoals kunstmatige gewrichten, is het wenselijk om een doel te hebben dat zeer goed bestand is tegen zowel chemische corrosie als slijtage door wrijving. Ionenimplantatie wordt gebruikt om de oppervlakken van dergelijke apparaten te ontwerpen voor betrouwbaardere prestaties. Net als bij gereedschapsstaal omvat doelmodificatie veroorzaakt door ionenimplantatie zowel oppervlaktecompressie om scheurgroei te voorkomen als legering om het chemisch beter bestand te maken tegen corrosie.

Overigtoepassingen

chemische basis van ionenimplantatie
chemische basis van ionenimplantatie

Implantatie kan worden gebruikt om vermenging van ionenbundels te bereiken, dat wil zeggen, vermenging van atomen van verschillende elementen op het grensvlak. Dit kan handig zijn voor het bereiken van gegradueerde oppervlakken of het verbeteren van de hechting tussen lagen van niet-mengbare materialen.

Vorming van nanodeeltjes

Ionenimplantatie kan worden gebruikt om materialen op nanoschaal te induceren in oxiden zoals saffier en siliciumdioxide. Atomen kunnen worden gevormd als gevolg van neerslag of de vorming van gemengde stoffen die zowel een ion-geïmplanteerd element als een substraat bevatten.

Typische ionenbundel-energieën die worden gebruikt om nanodeeltjes te verkrijgen, liggen in het bereik van 50 tot 150 keV, en de ionenfluentie is van 10-16 tot 10-18 kV. zie Er kan een grote verscheidenheid aan materialen worden gevormd met afmetingen van 1 nm tot 20 nm en met samenstellingen die geïmplanteerde deeltjes kunnen bevatten, combinaties die uitsluitend bestaan uit een aan het substraat gebonden kation.

Diëlektrische materialen zoals saffier, die gedispergeerde nanodeeltjes van metaalionenimplantatie bevatten, zijn veelbelovende materialen voor opto-elektronica en niet-lineaire optica.

Problemen

Elk individueel ion produceert veel puntdefecten in het doelkristal bij impact of interstitiële. Vacatures zijn roosterpunten die niet door een atoom worden ingenomen: in dit geval botst het ion met het doelatoom, wat leidt tot de overdracht van een aanzienlijke hoeveelheid energie eraan, zodat het zijnverhaallijn. Dit doelobject wordt zelf een projectiel in een vast lichaam en kan opeenvolgende botsingen veroorzaken. Tussenruimten treden op wanneer dergelijke deeltjes in een vaste stof stoppen maar geen vrije ruimte in het rooster vinden om in te leven. Deze puntdefecten tijdens ionenimplantatie kunnen migreren en met elkaar clusteren, wat leidt tot de vorming van dislocatielussen en andere problemen.

Amorphization

De hoeveelheid kristallografische schade kan voldoende zijn om het doeloppervlak volledig te laten overgaan, dat wil zeggen dat het een amorfe vaste stof moet worden. In sommige gevallen heeft volledige amorfisatie van het doelwit de voorkeur boven een kristal met een hoge mate van defectheid: zo'n film kan opnieuw aangroeien bij een lagere temperatuur dan nodig is voor het uitgloeien van een ernstig beschadigd kristal. Amorfisatie van het substraat kan optreden als gevolg van bundelveranderingen. Wanneer bijvoorbeeld yttriumionen in saffier worden geïmplanteerd met een bundelenergie van 150 keV tot een fluentie van 510-16 Y+/sq. cm wordt een glasachtige laag van ongeveer 110 nm dik gevormd, gemeten vanaf het buitenoppervlak.

Spuit

ionen implantatie
ionen implantatie

Sommige van de botsingen zorgen ervoor dat atomen van het oppervlak worden uitgeworpen, en dus zal ionenimplantatie het oppervlak langzaam wegetsen. Het effect is alleen merkbaar bij zeer grote doses.

Ionenkanaal

fysische en fysisch-chemische fundamenten
fysische en fysisch-chemische fundamenten

Als een kristallografische structuur wordt toegepast op het doel, vooral in halfgeleidersubstraten waar het meer isopen is, dan stoppen bepaalde richtingen veel minder dan andere. Het resultaat is dat het bereik van een ion veel groter kan zijn als het precies langs een bepaald pad beweegt, zoals in silicium en andere diamant kubische materialen. Dit effect wordt ionchanneling genoemd en is, net als alle vergelijkbare effecten, zeer niet-lineair, met kleine afwijkingen van de ideale oriëntatie die resulteren in aanzienlijke verschillen in implantatiediepte. Om deze reden lopen de meeste een paar graden buiten de as, waar kleine uitlijnfouten meer voorspelbare effecten zullen hebben.

Aanbevolen: