Iontová implantace - Ion implantation
Iontová implantace je nízkoteplotní proces, při kterém se ionty jednoho prvku urychlují na pevný cíl, čímž se mění fyzikální, chemické nebo elektrické vlastnosti cíle. Iontová implantace se používá při výrobě polovodičových součástek a při dokončování kovů, jakož i při výzkumu materiálových věd . Ionty mohou změnit elementární složení cíle (pokud se ionty liší složením od cíle), pokud se zastaví a zůstanou v cíli. Iontová implantace také způsobuje chemické a fyzikální změny, když ionty dopadají na cíl vysokou energií. Krystalová struktura terče může být poškozena nebo dokonce zničena energetickými kolize kaskád , a ionty dostatečně vysoké energii (10s MeV) může způsobit nukleární transmutace .
Obecný princip
Zařízení pro implantaci iontů se obvykle skládá ze zdroje iontů , kde se vyrábějí ionty požadovaného prvku, urychlovače , kde jsou ionty elektrostaticky urychlovány na vysokou energii, a terčové komory, kde ionty narážejí na cíl, což je materiál které mají být implantovány. Iontová implantace je tedy zvláštním případem záření částic . Každý iont je typicky jeden atom nebo molekula, a proto je skutečné množství materiálu implantovaného do cíle integrálním časem iontového proudu. Toto množství se nazývá dávka. Proudy dodávané implantáty jsou typicky malé (mikroampéry), a proto je dávka, kterou lze implantovat v rozumném čase, malá. Iontová implantace proto nachází uplatnění v případech, kdy je množství požadované chemické změny malé.
Typické iontové energie se pohybují v rozmezí 10 až 500 keV (1 600 až 80 000 aJ). Lze použít energie v rozsahu 1 až 10 keV (160 až 1 600 aJ), ale výsledkem je proniknutí pouze několika nanometrů nebo méně. Energie nižší než toto má za následek velmi malé poškození cíle a spadá pod označení depozice iontového paprsku . 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 ( Braggův vrchol ), změna čistého složení v kterémkoli bodě cíle bude malá.
Energie iontů, jakož i iontové druhy a složení cíle určují hloubku průniku iontů do pevné látky: Monoenergetický svazek iontů bude mít obecně široké rozložení hloubky. Průměrná hloubka průniku se nazývá rozsah iontů. Za typických okolností bude rozmezí iontů mezi 10 nanometry a 1 mikrometrem. Iontová implantace je tedy zvláště užitečná v případech, kdy je požadována chemická nebo strukturální změna v blízkosti povrchu cíle. Ióny postupně ztrácejí energii, když cestují pevnou látkou, a to jak z příležitostných srážek s cílovými atomy (které způsobují náhlé přenosy energie), tak z mírného přetahování z překrývání elektronových orbitálů, což je kontinuální proces. Ztráta iontové energie v cíli se nazývá zastavení a lze ji simulovat pomocí metody aproximace binárních kolizí .
Akcelerátorové systémy pro iontovou implantaci se obecně dělí na střední proud (proudy iontového paprsku mezi 10 μA a ~ 2 mA), vysoký proud (proudy iontového paprsku až ~ 30 mA), vysokou energii (iontové energie nad 200 keV a až 10 MeV ) a velmi vysokou dávkou (účinný implantát s dávkou vyšší než 10 16 iontů/cm 2 ).
Všechny odrůdy návrhů paprsků iontové implantace obsahují určité obecné skupiny funkčních komponent (viz obrázek). První hlavní segment paprsku iontového paprsku obsahuje zařízení známé jako zdroj iontů pro generování iontových druhů. Zdroj je úzce spojen s předpjatými elektrodami pro extrakci iontů do svazku paprsků a nejčastěji s některými způsoby výběru konkrétních druhů iontů pro transport do hlavní sekce urychlovače. Výběr „hmotnosti“ je často doprovázen průchodem extrahovaného svazku iontů oblastí magnetického pole s výstupní cestou omezenou blokovacími otvory nebo „štěrbinami“, které umožňují pouze ionty se specifickou hodnotou součinu hmotnosti a rychlosti/ pokračujte po paprsku dolů. Pokud je cílový povrch větší než průměr iontového paprsku a je požadováno rovnoměrné rozložení implantované dávky na cílový povrch, pak se použije nějaká kombinace skenování paprskem a pohybu oplatky. Nakonec je implantovaný povrch spojen s nějakou metodou pro shromažďování nahromaděného náboje implantovaných iontů, takže dodanou dávku lze měřit kontinuálním způsobem a proces implantátu se zastaví na požadované úrovni dávky.
Aplikace při výrobě polovodičových součástek
Doping
Polovodičový doping bórem, fosforem nebo arsenem je běžnou aplikací iontové implantace. Při implantaci do polovodiče může každý atom dopantu po žíhání vytvořit v polovodiči nosič náboje . Pro dopant typu p lze vytvořit díru a pro dopant typu n elektron . Tím se mění vodivost polovodiče v jeho blízkosti. Tato technika se používá například pro úpravu prahového napětí MOSFETu .
Ionová implantace byla vyvinuta jako metoda výroby pn křižovatky fotovoltaických zařízení na konci sedmdesátých a na začátku osmdesátých let spolu s použitím pulzního elektronového paprsku pro rychlé žíhání, i když dosud nebyla použita pro komerční výrobu.
Křemík na izolátoru
Jednou z prominentních metod přípravy křemíku na substrátech izolátoru (SOI) z konvenčních křemíkových substrátů je proces SIMOX (separace implantací kyslíku), kde se zakopaný vysokodávkový kyslíkový implantát převádí na oxid křemičitý procesem žíhání při vysoké teplotě .
Mezotaxie
Mezotaxie je termín pro růst krystalograficky se shodující fáze pod povrchem hostitelského krystalu (ve srovnání s epitaxií , což je růst odpovídající fáze na povrchu substrátu). V tomto procesu jsou ionty implantovány dostatečně vysokou energií a dávkovány do materiálu, aby se vytvořila vrstva druhé fáze, a teplota je řízena tak, aby nebyla zničena krystalová struktura cíle. Orientaci krystalů vrstvy lze navrhnout tak, aby odpovídala cíli, i když přesná krystalová struktura a mřížková konstanta se mohou velmi lišit. Například po implantaci iontů niklu do křemíkové destičky lze pěstovat vrstvu křemičitanu nikelnatého, ve které se krystalová orientace silicidu shoduje s křemíkovou orientací.
Aplikace při dokončování kovů
Kalení nástrojové oceli
Do cíle z nástrojové oceli (například vrtáky) lze implantovat dusík nebo jiné ionty. Strukturální změna způsobená implantací vyvolává v oceli povrchovou kompresi, která brání šíření trhlin a tím činí materiál odolnější vůči lomu. Chemická změna může také zvýšit odolnost nástroje proti korozi.
Povrchová úprava
V některých aplikacích, například protetických zařízeních, jako jsou umělé klouby, je žádoucí mít povrchy velmi odolné jak proti chemické korozi, tak proti opotřebení v důsledku tření. Iontová implantace se v takových případech používá k úpravě povrchů takových zařízení pro spolehlivější výkon. Stejně jako v případě nástrojových ocelí zahrnuje modifikace povrchu způsobená iontovou implantací jak povrchovou kompresi, která brání šíření trhlin, tak legování povrchu, aby byl chemicky odolnější vůči korozi.
Další aplikace
Míchání iontového paprsku
Iontovou implantaci lze použít k dosažení míchání iontového paprsku , tj. Míchání atomů různých prvků na rozhraní. To může být užitečné pro dosažení odstupňovaných rozhraní nebo posílení adheze mezi vrstvami nemísitelných materiálů.
Tvorba nanočástic indukovaná iontovou implantací
Iontová implantace může být použita k indukci nanorozměrných částic v oxidech, jako je safír a oxid křemičitý . Částice mohou být vytvořeny v důsledku srážení iontově implantovaných druhů, mohou být vytvořeny v důsledku produkce směsných oxidových druhů, které obsahují jak iontový implantovaný prvek, tak oxidový substrát, a mohou být vytvořeny jako výsledek redukce substrátu, poprvé hlášeno Huntem a Hampikianem. Typické energie svazku iontů používané k výrobě nanočástic se pohybují od 50 do 150 keV, přičemž iontové fluence se pohybují od 10 16 do 10 18 iontů/cm 2 . Níže uvedená tabulka shrnuje některé práce, které byly v tomto oboru provedeny pro safírový substrát. Lze vytvořit širokou škálu nanočástic, s velikostmi v rozmezí od 1 nm do 20 nm a s kompozicemi, které mohou obsahovat implantované druhy, kombinace implantovaného iontu a substrátu, nebo které jsou tvořeny pouze kationtem spojeným se substrátem .
Kompozitní materiály na bázi dielektrika, jako je safír, které obsahují rozptýlené kovové nanočástice, jsou slibné materiály pro optoelektroniku a nelineární optiku .
| Implantované druhy | Podklad | Energie iontového paprsku (keV) | Fluence (ionty/cm 2 ) | Tepelné ošetření po implantaci | Výsledek | Zdroj | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Produkuje oxidy, které obsahují implantovaný iont | Co | Al 2 O 3 | 65 | 5*10 17 | Žíhání při 1400 ° C | Formy Al 2 CoO 4 spinel | |
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2*10 17 | Žíhání při 1000 ° C v oxidačním prostředí | Formy Al 2 CoO 4 spinel | ||
| Mg | Al 2 O 3 | 150 | 5*10 16 | --- | Tvoří krevní destičky MgAl 2 O 4 | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1*10 17 | Žíhání v atmosféře O 2 při 1000 ° C po dobu 1 hodiny | 30 nanočástic SnO 2 | ||
| Zn | α-Al 2 O 3 | 48 | 1*10 17 | Žíhání v atmosféře O 2 při 600 ° C | Vznikají nanočástice ZnO | ||
| Zr | Al 2 O 3 | 65 | 5*10 17 | Žíhání při 1400 ° C | Tvoří se sraženiny ZrO 2 | ||
| Produkuje kovové nanočástice z implantovaných druhů | Ag | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2*10 16 , 8*10 16 | Žíhání od 600 ° C do 1100 ° C v oxidační, redukční, Ar nebo N 2 atmosféře | Nanočástice Ag v matrici Al 2 O 3 | |
| Au | α-Al 2 O 3 | 160 | 0,6*10 17 , 1*10 16 | 1 hodinu při 800 ° C na vzduchu | Nanočástice Au v matici Al 2 O 3 | ||
| Au | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2*10 16 , 8*10 16 | Žíhání od 600 ° C do 1100 ° C v oxidační, redukční, Ar nebo N 2 atmosféře | Nanočástice Au v matici Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | <5*10 16 | Žíhání při 1000 ° C | Nanočástice Co v matrici Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2*10 17 | Žíhání při 1000 ° C v redukčním prostředí | Srážky kovových Co | ||
| Fe | α-Al 2 O 3 | 160 | 1*10 16 až 2*10 17 | Žíhání po dobu 1 hodiny od 700 ° C do 1500 ° C v redukčním prostředí | Fe nanokompozity | ||
| Ni | α-Al 2 O 3 | 64 | 1*10 17 | --- | Nanočástice 1-5 nm Ni | ||
| Si | α-Al 2 O 3 | 50 | 2*10 16 , 8*10 16 | Žíhání při 500 ° C nebo 1000 ° C po dobu 30 minut | Nanočástice Si v Al 2 O 3 | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1*10 17 | --- | 15 nm tetragonální nanočástice Sn | ||
| Ti | α-Al 2 O 3 | 100 | <5*10 16 | Žíhání při 1000 ° C | Nanočástice Ti v Al 2 O 3 | ||
| Produkuje kovové nanočástice ze substrátu | Ca | Al 2 O 3 | 150 | 5*10 16 | --- | Nanočástice Al v amorfní matrici obsahující Al 2 O 3 a CaO | |
| Y | Al 2 O 3 | 150 | 5*10 16 | --- | Částice 10,7 ± 1,8 nm Al v amorfní matrici obsahující Al 2 O 3 a Y 2 O 3 | ||
| Y | Al 2 O 3 | 150 | 2,5*10 16 | --- | 9,0 ± 1,2 nm Al částice v amorfní matrici obsahující Al 2 O 3 a Y 2 O 3 |
Problémy s implantací iontů
Krystalografické poškození
Každý jednotlivý ion vytváří při dopadu mnoho bodových vad v cílovém krystalu, jako jsou volná místa a intersticiály. Volná místa jsou body krystalové mřížky neobsazené atomem: v tomto případě se ion srazí s cílovým atomem, což vede k přenosu významného množství energie na cílový atom tak, že opustí své místo krystalu. Tento cílový atom se pak sám stane projektilem v pevné látce a může způsobit po sobě následující kolize . Intersticiály vznikají, když takové atomy (nebo samotný původní ion) spočinou v pevné látce, ale v mřížce nenajdou žádné volné místo k pobytu. Tyto bodové defekty mohou migrovat a seskupovat se navzájem, což má za následek dislokační smyčky a další defekty.
Vymáhání škod
Protože iontová implantace způsobuje poškození krystalové struktury cíle, které je často nežádoucí, po zpracování iontové implantace často následuje tepelné žíhání. To lze označit jako obnovu škod.
Amorfizace
Množství krystalografického poškození může stačit k úplné amorfizaci povrchu cíle: tj. Může se stát amorfní pevnou látkou (taková pevná látka vyrobená z taveniny se nazývá sklo ). V některých případech je upřednostňována úplná amorfizace cíle před vysoce defektním krystalem: Amorfizovaný film lze znovu pěstovat při nižší teplotě, než je požadováno pro žíhání vysoce poškozeného krystalu. V důsledku poškození paprsku může dojít k amorfizaci substrátu. Například, yttrium iontová implantace do safír v paprsku energie iontů 150 keV na hustotě prošlé energie 5 * 10 16 Y + / cm 2 vytváří amorfní sklovitou vrstvu, přibližně 110 nm tloušťky, měřeno od vnějšího povrchu. [Hunt, 1999]
Prskání
Některé z kolizních událostí vedou k tomu, že jsou atomy vysunuty ( naprášeny ) z povrchu, a proto iontová implantace pomalu odleptá povrch. Účinek je patrný pouze u velmi velkých dávek.
Ionové směrování
Pokud je k cíli krystalografická struktura, a zvláště u polovodičových substrátů, kde je krystalová struktura otevřenější, nabízejí konkrétní krystalografické směry mnohem nižší zastavení než jiné směry. Výsledkem je, že rozsah iontu může být mnohem delší, pokud se ion pohybuje přesně v určitém směru, například ve směru <110> v křemíku a jiných diamantových kubických materiálech. Tento efekt se nazývá iontový kanál a stejně jako všechny kanálové efekty je vysoce nelineární, s malými odchylkami od dokonalé orientace, což vede k extrémním rozdílům v hloubce implantace. Z tohoto důvodu se většina implantací provádí o několik stupňů mimo osu, kde drobné chyby zarovnání budou mít předvídatelnější účinky.
Ionové směrování lze použít přímo v Rutherfordově zpětném rozptylu a příbuzných technikách jako analytickou metodu ke stanovení množství a hloubkového profilu poškození v krystalických tenkovrstvých materiálech.
Bezpečnost
Nebezpečné materiály
Při výrobě oplatky , toxické materiály, jako jsou arsinu a fosfinu se často používají v procesu iontové implantačního zařízení. Mezi další běžné karcinogenní , korozivní , hořlavé nebo toxické prvky patří antimon , arsen , fosfor a bór . Zařízení na výrobu polovodičů jsou vysoce automatizovaná, ale se zbytky nebezpečných prvků ve strojích se lze setkat během servisu a hardwaru vakuové pumpy .
Vysoká napětí a urychlovače částic
Zdroje vysokého napětí používané v iontových urychlovačích nezbytných pro iontovou implantaci mohou představovat riziko úrazu elektrickým proudem . Vysokoenergetické atomové srážky mohou navíc generovat rentgenové paprsky a v některých případech i další ionizující záření a radionuklidy . Kromě vysokého napětí představují další nebezpečí urychlovače částic, jako jsou vysokofrekvenční lineární urychlovače částic a plazmové urychlovače laserového budíku .