Ionbeültetés: koncepció, működési elv, módszerek, cél és alkalmazás

Az ionbeültetés egy alacsony hőmérsékletű folyamat, amelynek során az egyik elem komponenseit felgyorsítják a lemez szilárd felületére, ezáltal megváltoztatva annak fizikai, kémiai vagy elektromos tulajdonságait. Ezt a módszert használják a félvezető eszközök gyártásában, a fém kikészítésében, valamint az Anyagtudományi kutatásban. Az alkatrészek megváltoztathatják a lemez elemi összetételét, ha megállnak benne. Az ionbeültetés kémiai és fizikai változásokat is okoz, amikor az atomok nagy energiájú célponttal ütköznek. A lemez kristályszerkezetét ütközések energiakaszkádjai károsíthatják vagy akár megsemmisíthetik, a kellően nagy energiájú (10 MeV) részecskék pedig nukleáris transzmutációt okozhatnak.

Az ionbeültetés telepítésének általános elve

A berendezés általában egy forrásból áll, ahol a kívánt elem atomjai képződnek, egy gyorsítóból, ahol elektrosztatikusan nagy energiává gyorsulnak, valamint egy célkamrából, ahol ütköznek egy célponttal, amely anyag. Így ez a folyamat a részecske-sugárzás speciális esete. Minden ion általában külön atom vagy molekula, így a célba beültetett anyag tényleges mennyisége az ionáram időintegrálja. Ezt a számot dózisnak nevezik. Az implantátumok által szolgáltatott áramok általában kicsiek (mikroamperek), ezért az ésszerű időn belül beültethető mennyiség kicsi. Ezért az ionbeültetés olyan esetekben alkalmazható, amikor a szükséges kémiai változások száma kicsi.

A tipikus ionenergia 10-500 keV (1600-80 000 AJ). Az ionbeültetés alacsony energiákon, 1-10 keV (160-1600 AJ) tartományban használható, de a penetráció csak néhány nanométer vagy kevesebb. A teljesítmény alatt ez vezet nagyon kisebb kárt a cél és esik a megnevezés alatt ionnyaláb-lerakódás. Magasabb energiák is használhatók: az 5 MeV (800 000 AJ) képes gyorsítók gyakoriak. Azonban gyakran sok szerkezeti sérülés van a célponton, és mivel a mélységeloszlás széles (Bragg-csúcs), a nettó összetételváltozás a cél bármely pontján kicsi lesz.

Az ionok energiája, valamint a különböző típusú atomok és a cél összetétele meghatározza a részecskék szilárd anyagba való behatolásának mélységét. A monoenergetikus ionnyaláb általában széles mélységeloszlással rendelkezik. Az átlagos penetrációt tartománynak nevezzük. Tipikus körülmények között 10 nanométer és 1 mikrométer között lesz. Így az alacsony energiájú ionbeültetés különösen hasznos azokban az esetekben, amikor kívánatos, hogy kémiai vagy szerkezeti változás legyen a célfelület közelében. A részecskék fokozatosan elveszítik energiájukat, amikor szilárd anyagon haladnak át, mind a célatomokkal való véletlen ütközések (amelyek hirtelen energiaátadást okoznak), mind az elektronikus pályák átfedéséből származó könnyű fékezés miatt, ami folyamatos folyamat. Az ionenergia veszteségét a célpontban megállásnak nevezzük, és a bináris ütközés közelítésének ionbeültetési módszerével modellezhető.

A gyorsítórendszereket általában közepes áramra, magas, Nagy energiára és nagyon jelentős dózisra osztják.

Az ionsimplantációs gerendák minden típusa a funkcionális komponensek bizonyos közös csoportjait tartalmazza. Nézzük meg a példákat. Az ionbeültetés első fizikai és fizikai-kémiai alapjai közé tartozik egy olyan eszköz, amely a részecskék generálásának forrásaként ismert. Ez az eszköz szorosan kapcsolódik az offset elektródákhoz az atomok kinyeréséhez a sugárvezetékbe, leggyakrabban pedig a gázpedál fő szakaszába történő szállításhoz szükséges speciális típusok kiválasztására szolgáló eszközökkel. A "tömeg" megválasztását gyakran kíséri a visszavont ionnyaláb áthaladása egy mágneses mező régión keresztül, amelynek kilépési útját blokkoló lyukak vagy "rések" korlátozzák, amelyek csak a tömeg és a sebesség szorzatának bizonyos értékével rendelkező ionokat engedik meg. Ha a célfelület nagyobb, mint az ionnyaláb átmérője, és a beültetett dózis előnyösen egyenletesen oszlik el rajta, akkor a nyalábszkennelés és a lemezmozgás valamilyen kombinációját alkalmazzuk. Végül a cél valamilyen módon kapcsolódik a beültetett ionok felhalmozódott töltésének összegyűjtéséhez, így a leadott dózis folyamatosan mérhető, és a folyamat a kívánt szinten megáll.

Alkalmazás félvezető eszközök gyártásában

A bórral, foszforral vagy arzénnel történő doppingolás ennek a folyamatnak a közös alkalmazása. A félvezetők ionbeültetése során minden adalékanyag-atom hőkezelés után töltéshordozót hozhat létre. Lehetőség van egy lyuk építésére egy p - típusú adalékanyag és egy n-típusú elektron számára. Ez megváltoztatja a félvezető vezetőképességét környéke. A technikát például a MOSFET küszöbértékének beállítására használják.

Az ionbeültetést az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején a fotovoltaikus eszközök pn-csomópontjának megszerzésére szolgáló módszerként fejlesztették ki, valamint pulzáló elektronnyalábot alkalmaztak a gyors lágyításhoz, bár a mai napig nem használták kereskedelmi gyártáshoz.

Szilícium a szigetelőn

Az egyik ismert módszer ennek az anyagnak a dielektromos szubsztrátokon (SOI) történő előállítására a hagyományos szilícium szubsztrátokból a SIMOX eljárás (elválasztás oxigén beültetésével), amelynek során a nagy dózisú töltött levegőt Szilícium-oxiddá alakítják a magas hőmérsékletű lágyítás folyamata miatt.

Mezotaxia

Ez egy kifejezés a fő kristály felszíne alatti kristálytanilag egybeeső fázis növekedésére. Ebben a folyamatban az ionokat elég nagy energiával és dózissal ültetik be az anyagba, hogy létrehozzák a második fázis rétegét, és a hőmérsékletet úgy állítják be, hogy a cél szerkezete ne pusztuljon el. A réteg kristályorientációja úgy alakítható ki, hogy megfeleljen a célnak, még akkor is, ha a pontos rácsállandó nagymértékben változhat. Például a nikkelionok Szilícium ostyába történő beültetése után szilicid réteget lehet termeszteni, amelyben a kristályok orientációja egybeesik a szilícium értékeivel.

Alkalmazás fém kikészítésben

Nitrogén vagy más ionok beültethetők egy szerszámacélba (pl. fúrók). A szerkezeti változás felületi tömörítést vált ki az anyagban, amely megakadályozza a repedések terjedését, ezáltal ellenállóbbá teszi a pusztulást.

Felületkezelés

Bizonyos alkalmazásokban, például protéziseknél, például mesterséges ízületeknél, kívánatos, hogy olyan célpont legyen, amely nagyon ellenáll mind a kémiai korróziónak, mind a súrlódás okozta kopásnak. Az ionbeültetést az ilyen eszközök felületének tervezésére használják megbízható működés. Mint a Szerszámacélok esetében, az ionbeültetés által okozott célmódosítás magában foglalja mind a felületi tömörítést, amely megakadályozza a repedések terjedését, mind az ötvözést, hogy kémiailag ellenállóbbá váljon a korrózióval szemben.

Egyéb alkalmazások

Az implantáció felhasználható az ionnyalábok keverésére, vagyis a különböző elemek atomjainak keverésére az interfészen. Ez lehet legyen hasznos Osztályozott felületek eléréséhez vagy a nem elegyedő anyagok rétegei közötti tapadás fokozásához.

Nanorészecskék kialakulása

Az ionbeültetés felhasználható nanoméretű anyagok oxidokban, például zafírban és szilícium-dioxidban történő indukálására. Atomok képződhetnek kicsapódás vagy vegyes anyagok képződése eredményeként, amelyek mind ionbeültetett elemet, mind szubsztrátot tartalmaznak.

A nanorészecskék előállításához használt tipikus ionnyaláb-energiák 50-150 keV, az ionáramlás pedig 10-16-10-18 kv között mozog. . Sokféle anyag alakítható ki 1 nm-től 20 nm-ig terjedő méretben, olyan készítményekkel, amelyek implantált részecskéket tartalmazhatnak, olyan kombinációk, amelyek kizárólag egy szubsztrátumhoz kötött kationból állnak.

A dielektrikumokon alapuló anyagok, például a zafír, amelyek a fémek ionbeültetésének diszpergált nanorészecskéit tartalmazzák, ígéretesek anyagok az Optoelektronika és nemlineáris optika.

Problémák

Minden egyes ion sok ponthibát okoz a célkristályban, amikor megüt vagy beágyazódik. Az üres álláshelyek olyan rácspontok, amelyeket egy atom nem foglal el: ebben az esetben az ion ütközik a célatommal, ami jelentős mennyiségű energia átviteléhez vezet, így elhagyja a helyét. Ez a cél objektum maga válik egy lövedék egy szilárd okozhat egymást követő ütközések. Az internódák akkor fordulnak elő, amikor az ilyen részecskék szilárd állapotban állnak meg, de nem találnak szabad helyet a rácsban az élethez. Ezek a ponthibák az ionbeültetés során vándorolhatnak és klaszterezhetnek egymással, ami diszlokációs hurkok és egyéb problémák kialakulásához vezet.

Amorfizáció

A kristálytani károsodás mennyisége elegendő lehet a célfelület teljes átmenetéhez, Vagyis amorf szilárd anyaggá kell válnia. Bizonyos esetekben a cél teljes amorfizálása előnyösebb, mint egy nagy hibájú kristály: egy ilyen film alacsonyabb hőmérsékleten újra növekedhet, mint ami egy súlyosan sérült kristály lágyításához szükséges. Az aljzat amorfizálása a gerenda megváltoztatásának eredményeként következhet be. Például, amikor ittriumionokat beültetünk zafírba 150 keV sugárenergiával 5*10-16 y+/kv fluenciáig. körülbelül 110 nm vastag üveges réteg képződik, a külső felületről mérve.

Porlasztás

Az ütközési események egy része atomok kilökődését okozza a felszínről, így az ionbeültetés lassan maratja a felületet. A hatás csak nagyon nagy dózisok esetén észlelhető.

Ioncsatorna

Ha kristálytani szerkezetet alkalmaznak a célpontra, különösen félvezető szubsztrátokban, ahol nyitottabb, akkor a konkrét irányok sokkal kevésbé állnak meg, mint mások. Az eredmény az, hogy egy ion hatássugara sokkal nagyobb lehet, ha pontosan egy bizonyos út mentén mozog, például szilíciumban vagy más köbös gyémánt anyagokban. Ezt a hatást ioncsatornázásnak nevezik, és mint minden hasonló hatás, erősen nemlineáris, kis eltérésekkel az ideális orientációtól, ami jelentős különbségeket eredményez az implantáció mélységében. Emiatt a legtöbbet néhány fokkal a tengelyen kívül hajtják végre, ahol az apró igazítási hibáknak kiszámíthatóbb hatásai lesznek.