Εμφύτευση ιόντων: έννοια, αρχή λειτουργίας, μέθοδοι, σκοπός και εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Η εμφύτευση ιόντων είναι μια διαδικασία χαμηλής θερμοκρασίας με την οποία τα συστατικά ενός μεμονωμένου στοιχείου επιταχύνονται στη στερεά επιφάνεια ενός πλακιδίου, αλλάζοντας έτσι τις φυσικές, χημικές ή ηλεκτρικές του ιδιότητες. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στην παραγωγή συσκευών ημιαγωγών και στο φινίρισμα μετάλλων, καθώς και στην έρευνα της επιστήμης των υλικών. Τα εξαρτήματα μπορούν να αλλάξουν τη στοιχειακή σύνθεση της πλάκας εάν σταματήσουν και παραμείνουν σε αυτήν. Η εμφύτευση ιόντων προκαλεί επίσης χημικές και φυσικές αλλαγές όταν τα άτομα συγκρούονται με έναν στόχο με υψηλή ενέργεια. Η κρυσταλλική δομή της πλάκας μπορεί να καταστραφεί ή ακόμα και να καταστραφεί από ενεργειακούς καταρράκτες συγκρούσεων και σωματίδια επαρκώς υψηλής ενέργειας (10 MeV) μπορούν να προκαλέσουν πυρηνική μεταστοιχείωση.

Γενική αρχή εμφύτευσης ιόντων

Ο εξοπλισμός αποτελείται συνήθως από μια πηγή όπου σχηματίζονται άτομα του επιθυμητού στοιχείου, έναν επιταχυντή όπου επιταχύνονται ηλεκτροστατικά σε υψηλόενέργειας και των θαλάμων στόχων όπου συγκρούονται με τον στόχο, που είναι το υλικό. Έτσι, αυτή η διαδικασία είναι μια ειδική περίπτωση σωματιδιακής ακτινοβολίας. Κάθε ιόν είναι συνήθως ένα μόνο άτομο ή μόριο, και έτσι η πραγματική ποσότητα υλικού που εμφυτεύεται στον στόχο είναι το ολοκλήρωμα χρόνου του ρεύματος ιόντων. Αυτός ο αριθμός ονομάζεται δόση. Τα ρεύματα που παρέχονται από τα εμφυτεύματα είναι συνήθως μικρά (microamps) και επομένως η ποσότητα που μπορεί να εμφυτευθεί σε εύλογο χρονικό διάστημα είναι μικρή. Επομένως, η εμφύτευση ιόντων χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου ο αριθμός των χημικών αλλαγών που απαιτούνται είναι μικρός.

Οι τυπικές ενέργειες ιόντων κυμαίνονται από 10 έως 500 keV (1600 έως 80000 aJ). Η εμφύτευση ιόντων μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χαμηλές ενέργειες στην περιοχή από 1 έως 10 keV (160 έως 1600 aJ), αλλά η διείσδυση είναι μόνο μερικά νανόμετρα ή λιγότερο. Η ισχύς κάτω από αυτό οδηγεί σε πολύ μικρή ζημιά στον στόχο και εμπίπτει στην ονομασία εναπόθεση δέσμης ιόντων. Και υψηλότερες ενέργειες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν: επιταχυντές ικανοί για 5 MeV (800.000 aJ) είναι συνηθισμένοι. Ωστόσο, υπάρχει συχνά μεγάλη δομική ζημιά στον στόχο και επειδή η κατανομή βάθους είναι ευρεία (αιχμή Bragg), η καθαρή αλλαγή στη σύνθεση σε οποιοδήποτε σημείο του στόχου θα είναι μικρή.

Η ενέργεια των ιόντων, καθώς και οι διαφορετικοί τύποι ατόμων και η σύνθεση του στόχου, καθορίζουν το βάθος διείσδυσης των σωματιδίων σε ένα στερεό. Μια μονοενεργητική δέσμη ιόντων έχει συνήθως μεγάλη κατανομή βάθους. Η μέση διείσδυση ονομάζεται εύρος. ΣΤΟυπό τυπικές συνθήκες θα είναι μεταξύ 10 νανόμετρων και 1 μικρομέτρου. Έτσι, η εμφύτευση ιόντων χαμηλής ενέργειας είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε περιπτώσεις όπου είναι επιθυμητό η χημική ή δομική αλλαγή να είναι κοντά στην επιφάνεια στόχο. Τα σωματίδια χάνουν σταδιακά την ενέργειά τους καθώς περνούν μέσα από ένα στερεό, τόσο από τυχαίες συγκρούσεις με άτομα-στόχους (που προκαλούν απότομες μεταφορές ενέργειας) όσο και από ελαφρά επιβράδυνση από την επικάλυψη τροχιακών ηλεκτρονίων, η οποία είναι μια συνεχής διαδικασία. Η απώλεια ενέργειας των ιόντων σε έναν στόχο ονομάζεται στάσιμο και μπορεί να μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο εμφύτευσης ιόντων της προσέγγισης δυαδικής σύγκρουσης.

Τα συστήματα επιτάχυνσης ταξινομούνται γενικά σε μεσαίου ρεύματος, υψηλού ρεύματος, υψηλής ενέργειας και πολύ σημαντικής δόσης.

Όλες οι ποικιλίες σχεδίων δέσμης εμφύτευσης ιόντων περιέχουν ορισμένες κοινές ομάδες λειτουργικών συστατικών. Εξετάστε παραδείγματα. Τα πρώτα φυσικά και φυσικοχημικά θεμέλια της εμφύτευσης ιόντων περιλαμβάνουν μια συσκευή γνωστή ως πηγή παραγωγής σωματιδίων. Αυτή η συσκευή συνδέεται στενά με πολωμένα ηλεκτρόδια για την εξαγωγή ατόμων στη γραμμή δέσμης και πιο συχνά με κάποια μέσα επιλογής συγκεκριμένων τρόπων μεταφοράς στο κύριο τμήμα του επιταχυντή. Η επιλογή της "μάζας" συνοδεύεται συχνά από τη διέλευση της εξαγόμενης δέσμης ιόντων μέσω μιας περιοχής μαγνητικού πεδίου με διαδρομή εξόδου που περιορίζεται από μπλοκάρισμα οπών ή "σχισμών" που επιτρέπουν μόνο ιόντα με μια ορισμένη τιμή του προϊόντος μάζας και ταχύτητας. Εάν η επιφάνεια στόχου είναι μεγαλύτερη από τη διάμετρο της δέσμης ιόντων καιεάν η εμφυτευμένη δόση κατανέμεται πιο ομοιόμορφα πάνω της, τότε χρησιμοποιείται κάποιος συνδυασμός σάρωσης δέσμης και κίνησης της πλάκας. Τέλος, ο στόχος συνδέεται με κάποιο τρόπο συλλογής του συσσωρευμένου φορτίου των εμφυτευμένων ιόντων έτσι ώστε η χορηγούμενη δόση να μπορεί να μετράται συνεχώς και η διαδικασία να σταματήσει στο επιθυμητό επίπεδο.

Εφαρμογή στην κατασκευή ημιαγωγών

Ντόπινγκ με βόριο, φώσφορο ή αρσενικό είναι μια κοινή εφαρμογή αυτής της διαδικασίας. Στην εμφύτευση ιόντων ημιαγωγών, κάθε άτομο πρόσμιξης μπορεί να δημιουργήσει έναν φορέα φορτίου μετά την ανόπτηση. Μπορείτε να δημιουργήσετε μια τρύπα για ένα ηλεκτρόνιο τύπου p και ένα ηλεκτρόνιο τύπου n. Αυτό αλλάζει την αγωγιμότητα του ημιαγωγού κοντά του. Η τεχνική χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για τη ρύθμιση του κατωφλίου ενός MOSFET.

Η εμφύτευση ιόντων αναπτύχθηκε ως μέθοδος απόκτησης μιας σύνδεσης pn σε φωτοβολταϊκές συσκευές στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μαζί με τη χρήση μιας παλμικής δέσμης ηλεκτρονίων για ταχεία ανόπτηση, αν και δεν έχει κυκλοφορήσει στο εμπόριο μέχρι σήμερα.

Πυρίτιο σε μονωτή

Μία από τις γνωστές μεθόδους για την παραγωγή αυτού του υλικού σε υποστρώματα μονωτών (SOI) από συμβατικά υποστρώματα πυριτίου είναι η διαδικασία SIMOX (διαχωρισμός με εμφύτευση οξυγόνου), κατά την οποία ο αέρας υψηλής δόσης μετατρέπεται σε οξείδιο του πυριτίου μέσω διαδικασία ανόπτησης σε υψηλή θερμοκρασία.

Mesotaxy

Αυτός είναι ο όρος για την ανάπτυξη κρυσταλλογραφικάσυμπίπτουσα φάση κάτω από την επιφάνεια του κύριου κρυστάλλου. Σε αυτή τη διαδικασία, τα ιόντα εμφυτεύονται με αρκετά υψηλή ενέργεια και δόση στο υλικό για να δημιουργηθεί ένα στρώμα δεύτερης φάσης και η θερμοκρασία ελέγχεται έτσι ώστε η δομή στόχος να μην καταστραφεί. Ο κρυσταλλικός προσανατολισμός του στρώματος μπορεί να σχεδιαστεί για να ταιριάζει στο σκοπό, ακόμα κι αν η ακριβής σταθερά του πλέγματος μπορεί να είναι πολύ διαφορετική. Για παράδειγμα, μετά την εμφύτευση ιόντων νικελίου σε μια γκοφρέτα πυριτίου, μπορεί να αναπτυχθεί ένα στρώμα πυριτίου στο οποίο ο προσανατολισμός των κρυστάλλων ταιριάζει με εκείνους του πυριτίου.

Εφαρμογή μεταλλικού φινιρίσματος

Αζώτο ή άλλα ιόντα μπορούν να εμφυτευθούν σε έναν στόχο από χάλυβα εργαλείων (όπως ένα τρυπάνι). Η δομική αλλαγή προκαλεί επιφανειακή συμπίεση στο υλικό, η οποία εμποδίζει τη διάδοση της ρωγμής και έτσι το καθιστά πιο ανθεκτικό στη θραύση.

Φινίρισμα επιφάνειας

Σε ορισμένες εφαρμογές, για παράδειγμα για προθέσεις όπως οι τεχνητές αρθρώσεις, είναι επιθυμητό να υπάρχει ένας στόχος που να είναι εξαιρετικά ανθεκτικός τόσο στη χημική διάβρωση όσο και στη φθορά λόγω τριβής. Η εμφύτευση ιόντων χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό των επιφανειών τέτοιων συσκευών για πιο αξιόπιστη απόδοση. Όπως και με τους χάλυβες εργαλείων, η τροποποίηση στόχου που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων περιλαμβάνει τόσο επιφανειακή συμπίεση για την πρόληψη της διάδοσης ρωγμών όσο και κράμα για να γίνει πιο χημικά ανθεκτικός στη διάβρωση.

Άλλοεφαρμογές

Η εμφύτευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη ανάμειξης δεσμών ιόντων, δηλαδή ανάμειξης ατόμων διαφορετικών στοιχείων στη διεπιφάνεια. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για την επίτευξη βαθμονομημένων επιφανειών ή για την ενίσχυση της πρόσφυσης μεταξύ στρωμάτων μη αναμίξιμων υλικών.

Σχηματισμός νανοσωματιδίων

Η εμφύτευση ιόντων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόκληση υλικών νανοκλίμακας σε οξείδια όπως το ζαφείρι και το διοξείδιο του πυριτίου. Τα άτομα μπορούν να σχηματιστούν ως αποτέλεσμα της καθίζησης ή του σχηματισμού μικτών ουσιών που περιέχουν και ένα στοιχείο εμφυτευμένο με ιόν και ένα υπόστρωμα.

Οι τυπικές ενέργειες δέσμης ιόντων που χρησιμοποιούνται για τη λήψη νανοσωματιδίων είναι στην περιοχή από 50 έως 150 keV και η ροή ιόντων είναι από 10-16 έως 10-18 kV. βλέπε Μια μεγάλη ποικιλία υλικών μπορεί να σχηματιστεί με μεγέθη από 1 nm έως 20 nm και με συνθέσεις που μπορούν να περιέχουν εμφυτευμένα σωματίδια, συνδυασμούς που αποτελούνται αποκλειστικά από ένα κατιόν συνδεδεμένο στο υπόστρωμα.

Υλικά με βάση το διηλεκτρικό όπως το ζαφείρι, τα οποία περιέχουν διεσπαρμένα νανοσωματίδια εμφύτευσης μεταλλικών ιόντων, είναι πολλά υποσχόμενα υλικά για την οπτοηλεκτρονική και τη μη γραμμική οπτική.

Προβλήματα

Κάθε μεμονωμένο ιόν παράγει πολλά σημειακά ελαττώματα στον κρύσταλλο στόχο κατά την πρόσκρουση ή την ενδιάμεση διάμεση. Οι κενές θέσεις είναι σημεία πλέγματος που δεν καταλαμβάνονται από ένα άτομο: στην περίπτωση αυτή, το ιόν συγκρούεται με το άτομο στόχο, γεγονός που οδηγεί στη μεταφορά σημαντικής ποσότητας ενέργειας σε αυτό, έτσι ώστε να εγκαταλείψει τηνοικόπεδο. Αυτό το αντικείμενο στόχος γίνεται ένα βλήμα σε ένα συμπαγές σώμα και μπορεί να προκαλέσει διαδοχικές συγκρούσεις. Τα διάκενα συμβαίνουν όταν τέτοια σωματίδια σταματούν σε ένα στερεό αλλά δεν βρίσκουν ελεύθερο χώρο στο πλέγμα για να ζήσουν. Αυτά τα σημειακά ελαττώματα κατά την εμφύτευση ιόντων μπορεί να μεταναστεύσουν και να συγκεντρωθούν μεταξύ τους, οδηγώντας στο σχηματισμό βρόχων εξάρθρωσης και άλλων προβλημάτων.

Amorphization

Η ποσότητα της κρυσταλλογραφικής βλάβης μπορεί να είναι επαρκής για την πλήρη μετάβαση της επιφάνειας στόχου, δηλαδή, πρέπει να γίνει άμορφο στερεό. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η πλήρης αμορφοποίηση του στόχου είναι προτιμότερη από έναν κρύσταλλο με υψηλό βαθμό ελαττωματικότητας: ένα τέτοιο φιλμ μπορεί να αναπτυχθεί εκ νέου σε χαμηλότερη θερμοκρασία από αυτή που απαιτείται για την ανόπτηση ενός κρυστάλλου που έχει υποστεί σοβαρή βλάβη. Η αμορφοποίηση του υποστρώματος μπορεί να συμβεί ως αποτέλεσμα των αλλαγών της δοκού. Για παράδειγμα, κατά την εμφύτευση ιόντων υττρίου σε ζαφείρι με ενέργεια δέσμης 150 keV έως ροή 510-16 Y+/sq. cm, σχηματίζεται ένα υαλώδες στρώμα πάχους περίπου 110 nm, μετρημένο από την εξωτερική επιφάνεια.

Σπρέι

Μερικά από τα συμβάντα σύγκρουσης προκαλούν την εκτίναξη των ατόμων από την επιφάνεια, και έτσι η εμφύτευση ιόντων θα χαράξει αργά την επιφάνεια. Το αποτέλεσμα είναι αισθητό μόνο για πολύ μεγάλες δόσεις.

Κανάλι ιόντων

Εάν εφαρμόζεται κρυσταλλογραφική δομή στον στόχο, ειδικά σε υποστρώματα ημιαγωγών όπου είναι περισσότεροείναι ανοιχτό, τότε οι συγκεκριμένες οδηγίες σταματούν πολύ λιγότερο από άλλες. Το αποτέλεσμα είναι ότι το εύρος ενός ιόντος μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο εάν κινείται ακριβώς κατά μήκος μιας συγκεκριμένης διαδρομής, όπως σε πυρίτιο και άλλα κυβικά υλικά διαμαντιών. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διοχέτευση ιόντων και, όπως όλα τα παρόμοια αποτελέσματα, είναι εξαιρετικά μη γραμμικό, με μικρές αποκλίσεις από τον ιδανικό προσανατολισμό με αποτέλεσμα σημαντικές διαφορές στο βάθος εμφύτευσης. Για αυτόν τον λόγο, τα περισσότερα τρέχουν μερικές μοίρες εκτός άξονα, όπου τα μικροσκοπικά σφάλματα ευθυγράμμισης θα έχουν πιο προβλέψιμα αποτελέσματα.