İyon implantasyonu: kavram, çalışma prensibi, yöntemler, amaç ve uygulama

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

İyon implantasyonu, tek bir elementin bileşenlerinin bir levhanın katı yüzeyine hızlandırılarak fiziksel, kimyasal veya elektriksel özelliklerini değiştirdiği düşük sıcaklıkta bir işlemdir. Bu yöntem, yarı iletken cihazların üretiminde ve metal kaplamanın yanı sıra malzeme bilimi araştırmalarında kullanılır. Bileşenler, durup içinde kalırlarsa, plakanın element bileşimini değiştirebilirler. İyon implantasyonu ayrıca atomlar yüksek enerjide bir hedefle çarpıştığında kimyasal ve fiziksel değişikliklere neden olur. Plakanın kristal yapısı, çarpışmaların enerji basamakları tarafından zarar görebilir veya hatta yok edilebilir ve yeterince yüksek enerjili (10 MeV) parçacıklar nükleer dönüşüme neden olabilir.

İyon implantasyonunun genel prensibi

Ekipman genellikle istenen elementin atomlarının oluşturulduğu bir kaynaktan, bunların elektrostatik olarak yüksek bir değere hızlandırıldığı bir hızlandırıcıdan oluşur.enerji ve malzeme olan hedefle çarpıştıkları hedef odaları. Bu nedenle, bu işlem parçacık radyasyonunun özel bir durumudur. Her iyon genellikle tek bir atom veya moleküldür ve bu nedenle hedefe implante edilen gerçek malzeme miktarı, iyon akımının zaman integralidir. Bu sayıya doz denir. İmplantlar tarafından sağlanan akımlar genellikle küçüktür (mikroamper) ve bu nedenle makul bir süre içinde implante edilebilecek miktar küçüktür. Bu nedenle, gerekli kimyasal değişiklik sayısının az olduğu durumlarda iyon implantasyonu kullanılır.

Tipik iyon enerjileri 10 ila 500 keV (1600 ila 80000 aJ) arasındadır. İyon implantasyonu 1 ila 10 keV (160 ila 1600 aJ) aralığında düşük enerjilerde kullanılabilir, ancak penetrasyon yalnızca birkaç nanometre veya daha azdır. Bunun altındaki güç, hedefe çok az zarar verir ve iyon ışını biriktirme tanımının altına düşer. Ve daha yüksek enerjiler de kullanılabilir: 5 MeV (800.000 aJ) kapasiteli hızlandırıcılar yaygındır. Bununla birlikte, genellikle hedefe çok fazla yapısal hasar vardır ve derinlik dağılımı geniş olduğu için (Bragg zirvesi), hedefin herhangi bir noktasında kompozisyondaki net değişiklik küçük olacaktır.

İyonların enerjisi, farklı atom türleri ve hedefin bileşimi, parçacıkların bir katıya nüfuz etme derinliğini belirler. Bir monoenerjetik iyon demeti genellikle geniş bir derinlik dağılımına sahiptir. Ortalama penetrasyona menzil denir. ATtipik koşullar altında 10 nanometre ile 1 mikrometre arasında olacaktır. Bu nedenle, düşük enerjili iyon implantasyonu, kimyasal veya yapısal değişimin hedef yüzeye yakın olmasının istendiği durumlarda özellikle yararlıdır. Parçacıklar, bir katıdan geçerken, hem hedef atomlarla rastgele çarpışmalardan (ani enerji transferlerine neden olur) hem de sürekli bir süreç olan elektron orbitallerinin üst üste binmesinden kaynaklanan hafif yavaşlamadan dolayı enerjilerini kademeli olarak kaybederler. Bir hedefteki iyonların enerji kaybına durma denir ve ikili çarpışma yaklaşımının iyon implantasyon yöntemi kullanılarak modellenebilir.

Hızlandırıcı sistemler genellikle orta akım, yüksek akım, yüksek enerji ve çok önemli doz olarak sınıflandırılır.

İyon implantasyon ışını tasarımlarının tüm çeşitleri, belirli ortak fonksiyonel bileşen gruplarını içerir. Örnekleri düşünün. İyon implantasyonunun ilk fiziksel ve fiziko-kimyasal temelleri, partikül üretme kaynağı olarak bilinen bir cihazı içerir. Bu cihaz, atomları ışın hattına çıkarmak için öngerilimli elektrotlarla ve çoğunlukla hızlandırıcının ana bölümüne taşınmak için belirli modları seçme araçlarıyla yakından ilişkilidir. "Kütle" seçimine, genellikle, yalnızca belirli bir kütle ve hız değerine sahip iyonlara izin veren bloke edici delikler veya "yuvalar" ile sınırlanan bir çıkış yolu ile bir manyetik alan bölgesinden çıkarılan iyon ışınının geçişi eşlik eder.. Hedef yüzey iyon ışını çapından daha büyükse veimplante edilen doz bunun üzerine daha eşit olarak dağıtılırsa, ışın taraması ve plaka hareketinin bir kombinasyonu kullanılır. Son olarak hedef, verilen dozun sürekli olarak ölçülebilmesi ve prosesin istenen seviyede durdurulabilmesi için implante edilen iyonların biriken yükünü toplamanın bir yoluna bağlanır.

Yarı iletken üretiminde uygulama

Bor, fosfor veya arsenik ile doping bu işlemin yaygın bir uygulamasıdır. Yarı iletkenlerin iyon implantasyonunda, her bir katkı atomu tavlamadan sonra bir yük taşıyıcısı oluşturabilir. Bir p-tipi katkı maddesi ve bir n-tipi elektron için bir delik oluşturabilirsiniz. Bu, çevresindeki yarı iletkenin iletkenliğini değiştirir. Teknik, örneğin bir MOSFET'in eşiğini ayarlamak için kullanılır.

İyon implantasyonu, bugüne kadar ticarileştirilmemiş olmasına rağmen, hızlı tavlama için darbeli bir elektron ışını kullanımıyla birlikte 1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başında fotovoltaik cihazlarda bir pn bağlantısı elde etme yöntemi olarak geliştirilmiştir.

İzolatörde silikon

Bu malzemeyi geleneksel silikon alt tabakalardan yalıtkan (SOI) alt tabakalar üzerinde üretmeye yönelik iyi bilinen yöntemlerden biri, yüksek doz havanın bir silikon okside dönüştürüldüğü SIMOX (oksijen implantasyonu ile ayırma) işlemidir. yüksek sıcaklıkta tavlama işlemi.

Mezotaksi

Bu, kristalografik olarak büyüme terimidirana kristalin yüzeyinin altında çakışan faz. Bu süreçte iyonlar, ikinci bir faz tabakası oluşturmak için malzemeye yeterince yüksek bir enerji ve dozda implante edilir ve hedef yapının bozulmaması için sıcaklık kontrol edilir. Tam kafes sabiti çok farklı olsa bile, tabakanın kristal oryantasyonu amaca uyacak şekilde tasarlanabilir. Örneğin, bir silikon gofrete nikel iyonları implante edildikten sonra, kristal oryantasyonunun silikonunkilerle eşleştiği bir silis tabakası büyütülebilir.

Metal Kaplama Uygulaması

Azot veya diğer iyonlar bir alet çeliği hedefine (matkap gibi) implante edilebilir. Yapısal değişiklik malzemede yüzey sıkıştırmasına neden olur, bu da çatlak yayılmasını önler ve böylece kırılmaya karşı daha dirençli olmasını sağlar.

Yüzey kaplama

Bazı uygulamalarda, örneğin yapay eklemler gibi protezler için, hem kimyasal korozyona hem de sürtünmeden kaynaklanan aşınmaya karşı oldukça dirençli bir hedefin olması arzu edilir. İyon implantasyonu, daha güvenilir performans için bu tür cihazların yüzeylerini tasarlamak için kullanılır. Takım çeliklerinde olduğu gibi, iyon implantasyonunun neden olduğu hedef modifikasyon, hem çatlak yayılmasını önlemek için yüzey sıkıştırmasını hem de korozyona karşı kimyasal olarak daha dirençli hale getirmek için alaşımlamayı içerir.

Diğeruygulamalar

İmplantasyon, iyon ışınlarının karışmasını, yani arayüzde farklı elementlerin atomlarının harmanlanmasını sağlamak için kullanılabilir. Bu, dereceli yüzeyler elde etmek veya karışmaz malzeme katmanları arasındaki yapışmayı arttırmak için faydalı olabilir.

Nanopartiküllerin oluşumu

İyon implantasyonu, safir ve silikon dioksit gibi oksitlerde nano ölçekli malzemeleri indüklemek için kullanılabilir. Atomlar, hem iyon implante edilmiş bir element hem de bir substrat içeren, çökeltme veya karışık maddelerin oluşumunun bir sonucu olarak oluşturulabilir.

Nanopartiküller elde etmek için kullanılan tipik iyon ışını enerjileri 50 ila 150 keV aralığındadır ve iyon akışı 10-16 ila 10-18 kV arasındadır. 1 nm'den 20 nm'ye kadar boyutlarda ve implante edilmiş partiküller içerebilen bileşimlerle, yalnızca substrata bağlı bir katyondan oluşan kombinasyonlarla çok çeşitli malzemeler oluşturulabilir.

Metal iyon implantasyonunun dağılmış nanoparçacıklarını içeren safir gibi dielektrik bazlı malzemeler, optoelektronik ve doğrusal olmayan optikler için umut verici malzemelerdir.

Sorunlar

Her bir iyon, çarpma veya geçiş yeri üzerine hedef kristalde birçok nokta kusuru üretir. Boşluklar, bir atom tarafından işgal edilmeyen kafes noktalarıdır: bu durumda, iyon hedef atomla çarpışır, bu da ona önemli miktarda enerjinin transferine yol açar, böylece hedef atomdan ayrılır.komplo. Bu hedef nesnenin kendisi katı bir gövdede bir mermi haline gelir ve art arda çarpışmalara neden olabilir. Aralıklar, bu tür parçacıklar bir katı içinde durduğunda ancak kafeste içinde yaşayacak boş alan bulamadığında meydana gelir. İyon implantasyonu sırasında bu nokta kusurları birbirleriyle göç edebilir ve kümelenebilir, bu da çıkık döngülerinin oluşumuna ve diğer sorunlara yol açar.

Amorfizasyon

Kristalografik hasarın miktarı, hedef yüzeyi tamamen değiştirmek için yeterli olabilir, yani amorf bir katı haline gelmelidir. Bazı durumlarda, hedefin tam amorfizasyonu, yüksek derecede kusurlu bir kristale tercih edilir: böyle bir film, ciddi şekilde hasar görmüş bir kristalin tavlanması için gerekenden daha düşük bir sıcaklıkta yeniden büyüyebilir. Alt tabakanın amorfizasyonu, ışın değişikliklerinin bir sonucu olarak meydana gelebilir. Örneğin, itriyum iyonlarını safire 150 keV'lik bir ışın enerjisinde 510-16 Y+/sq'lik bir akıcılığa kadar implante ederken. cm, dış yüzeyden ölçüldüğünde yaklaşık 110 nm kalınlığında camsı bir tabaka oluşur.

Sprey

Çarpışma olaylarından bazıları atomların yüzeyden dışarı çıkmasına neden olur ve bu nedenle iyon implantasyonu yüzeyi yavaşça aşındırır. Etki yalnızca çok büyük dozlarda fark edilir.

İyon kanalı

Hedefe kristalografik bir yapı uygulanırsa, özellikle daha fazla olduğu yarı iletken substratlardaaçıksa, belirli yönler diğerlerinden çok daha az durur. Sonuç olarak, bir iyonun menzili, silikon ve diğer elmas kübik malzemelerde olduğu gibi, tam olarak belirli bir yol boyunca hareket ederse çok daha büyük olabilir. Bu etkiye iyon kanallama denir ve tüm benzer etkiler gibi, ideal oryantasyondan küçük sapmalar ile implantasyon derinliğinde önemli farklılıklar ile sonuçlanan oldukça doğrusal değildir. Bu nedenle çoğu, küçük hizalama hatalarının daha öngörülebilir etkilere sahip olacağı eksen dışında birkaç derece çalışır.