Ioni-istutus: käsite, toimintaperiaate, menetelmät, tarkoitus ja sovellus

2025 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-24 13:15

Ioni-istutus on matalan lämpötilan prosessi, jossa yksittäisen elementin komponentit kiihdytetään kiekon kiinteään pintaan, mikä muuttaa sen fysikaalisia, kemiallisia tai sähköisiä ominaisuuksia. Tätä menetelmää käytetään puolijohdelaitteiden valmistuksessa ja metallien viimeistelyssä sekä materiaalitieteen tutkimuksessa. Komponentit voivat muuttaa levyn alkuainekoostumusta, jos ne pysähtyvät ja jäävät siihen. Ioni-istutus aiheuttaa myös kemiallisia ja fysikaalisia muutoksia, kun atomit törmäävät kohteeseen suurella energialla. Levyn kiderakenne voi vaurioitua tai jopa tuhoutua törmäysten energiakaskadeissa, ja riittävän korkean energian (10 MeV) hiukkaset voivat aiheuttaa ydintransmutaatiota.

Ioni-istutuksen yleinen periaate

Laitteisto koostuu yleensä lähteestä, jossa halutun alkuaineen atomit muodostuvat, kiihdytin, jossa ne kiihdytetään sähköstaattisesti korkeaanenergia ja kohdekammiot, joissa ne törmäävät kohteeseen, joka on materiaali. Näin ollen tämä prosessi on hiukkassäteilyn erikoistapaus. Jokainen ioni on yleensä yksi atomi tai molekyyli, ja siten kohteeseen istutetun materiaalin todellinen määrä on ionivirran aikaintegraali. Tätä numeroa kutsutaan annokseksi. Implanttien tuottamat virrat ovat yleensä pieniä (mikroampeeria) ja siksi määrä, joka voidaan istuttaa kohtuullisessa ajassa, on pieni. Siksi ioni-istutusta käytetään tapauksissa, joissa tarvittavien kemiallisten muutosten määrä on pieni.

Tyypilliset ionienergiat vaihtelevat välillä 10-500 keV (1600-80000 aJ). Ioni-istutusta voidaan käyttää alhaisilla energioilla 1-10 keV (160-1600 aJ), mutta tunkeuma on vain muutama nanometri tai vähemmän. Tätä pienempi teho aiheuttaa erittäin vähän vahinkoa kohteelle ja kuuluu ionisuihkulaskeutuksen nimitykseen. Ja suurempiakin energioita voidaan käyttää: 5 MeV (800 000 aJ) kiihdyttimet ovat yleisiä. Kohteessa on kuitenkin usein paljon rakenteellisia vaurioita, ja koska syvyysjakauma on laaja (Braggin huippu), koostumuksen nettomuutos missä tahansa kohteen kohdassa on pieni.

Ionien energia sekä erilaiset atomityypit ja kohteen koostumus määräävät hiukkasten tunkeutumissyvyyden kiinteään aineeseen. Monoenergeettisellä ionisäteellä on yleensä laaja syvyysjakauma. Keskimääräistä penetraatiota kutsutaan alueeksi. ATtyypillisissä olosuhteissa se on 10 nanometrin ja 1 mikrometrin välillä. Näin ollen matalaenergia-ioni-istutus on erityisen hyödyllinen tapauksissa, joissa halutaan, että kemiallinen tai rakenteellinen muutos on lähellä kohdepintaa. Hiukkaset menettävät vähitellen energiaansa kulkiessaan kiinteän aineen läpi sekä satunnaisista törmäyksistä kohdeatomien kanssa (jotka aiheuttavat äkillisiä energiansiirtoja) että elektronien kiertoradan päällekkäisyydestä johtuvasta lievästä hidastumisesta, mikä on jatkuva prosessi. Kohteen ionien energiahäviötä kutsutaan pysähtymiseksi, ja se voidaan mallintaa binääritörmäysapproksimaation ioni-istutusmenetelmällä.

Kiihdytysjärjestelmät luokitellaan yleensä keskivirtaan, suurvirtaan, suureen energiaan ja erittäin merkittävään annokseen.

Kaikki ioni-istutussädemallit sisältävät tiettyjä yhteisiä toiminnallisia komponentteja. Harkitse esimerkkejä. Ioni-istutuksen ensimmäiset fyysiset ja fysikaalis-kemialliset perusteet sisältävät laitteen, joka tunnetaan lähteenä hiukkasten tuottamiseksi. Tämä laite liittyy läheisesti esijännitettyihin elektrodeihin atomien poistamiseksi sädelinjaan ja useimmiten joihinkin keinoihin valita tiettyjä kulkumuotoja kiihdyttimen pääosaan. "Massan" valintaan liittyy usein erotetun ionisäteen kulkeminen magneettikentän alueen läpi, jonka poistumistie on rajoitettu sulkureikillä tai "raoilla", jotka sallivat vain ioneja, joilla on tietty massan ja nopeuden tulo.. Jos kohdepinta on suurempi kuin ionisäteen halkaisija jajos implantoitu annos jakautuu tasaisemmin sen päälle, käytetään jotakin säteen skannauksen ja levyn liikkeen yhdistelmää. Lopuksi kohde on liitetty johonkin tapaan kerätä istutettujen ionien kertynyt varaus, jotta annosteltua annosta voidaan mitata jatkuvasti ja prosessi pysäyttää halutulle tasolle.

Sovellus puolijohteiden valmistukseen

Borin, fosforin tai arseenin doping on tämän prosessin yleinen sovellus. Puolijohteiden ioni-istutuksissa jokainen lisäaineatomi voi muodostaa varauksen kantajan hehkutuksen jälkeen. Voit rakentaa reiän p-tyypin lisäaineelle ja n-tyypin elektronille. Tämä muuttaa puolijohteen johtavuutta sen läheisyydessä. Tekniikkaa käytetään esimerkiksi säätämään MOSFETin kynnystä.

Ioni-istutus kehitettiin menetelmäksi saada pn-liitos aurinkosähkölaitteissa 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa sekä pulssielektronisuihkun käyttö nopeaan hehkutukseen, vaikka sitä ei ole vielä kaupallistettu.

Pii eristimessä

Yksi tunnetuista menetelmistä tämän materiaalin valmistamiseksi SOI-substraateille tavanomaisista piisubstraateista on SIMOX-prosessi (erotus happi-implantaatiolla), jossa suuriannoksinen ilma muunnetaan piioksidiksi korkean lämpötilan hehkutusprosessi.

Mesotaxy

Tämä on termi kasvulle kristallografisestisamassa faasissa pääkiteen pinnan alla. Tässä prosessissa ioneja istutetaan riittävän suurella energialla ja annoksella materiaaliin toisen faasikerroksen muodostamiseksi, ja lämpötilaa ohjataan niin, ettei kohderakenne tuhoudu. Kerroksen kideorientaatio voidaan suunnitella tarkoitukseen sopivaksi, vaikka tarkka hilavakio voi olla hyvinkin erilainen. Esimerkiksi piikiekkoon nikkeli-ionien istutuksen jälkeen voidaan kasvattaa silisidikerros, jossa kiteen suuntaus vastaa piin kiteiden suuntausta.

Metallipinnoitus

Typpeä tai muita ioneja voidaan istuttaa työkaluteräskohteeseen (kuten poraan). Rakennemuutos indusoi materiaalissa pintapuristumista, mikä estää halkeamien leviämisen ja tekee siitä siten murtumista kestävämmän.

Pinnan viimeistely

Joissakin sovelluksissa, esimerkiksi proteeseissa, kuten tekonivelissä, on toivottavaa, että kohde on erittäin kestävä sekä kemiallista korroosiota että kitkasta johtuvaa kulumista vastaan. Ioni-implantaatiota käytetään tällaisten laitteiden pintojen suunnitteluun luotettavamman suorituskyvyn takaamiseksi. Kuten työkaluteräksissä, ioni-istuttamisen aiheuttamat kohteen modifikaatiot sisältävät sekä pinnan puristuksen halkeamien leviämisen estämiseksi että seostuksen, jotta terästä tulee kemiallisesti kestävämpi korroosiota vastaan.

Muusovellukset

Implantaation avulla voidaan saavuttaa ionisuihkujen sekoittuminen eli eri alkuaineiden atomien sekoittuminen rajapinnalla. Tästä voi olla hyötyä porrastettujen pintojen saavuttamisessa tai sekoittumattomien materiaalien kerrosten välisen tarttuvuuden parantamisessa.

Nanohiukkasten muodostuminen

Ioni-istutusta voidaan käyttää nanomittakaavan materiaalien indusoimiseen oksideissa, kuten safiirissa ja piidioksidissa. Atomit voivat muodostua saostumisen tai seka-aineiden muodostumisen seurauksena, jotka sisältävät sekä ioni-istutettua alkuainetta että substraattia.

Tyypilliset ionisuihkuenergiat, joita käytetään nanohiukkasten saamiseksi, ovat välillä 50-150 keV, ja ionivirtaus on 10-16-10-18 kV. katso Voidaan muodostaa monenlaisia materiaaleja, joiden koko on 1 nm - 20 nm, ja koostumuksilla, jotka voivat sisältää istutettuja hiukkasia, yhdistelmiä, jotka koostuvat yksinomaan substraattiin sitoutuneesta kationista.

Dielektripohjaiset materiaalit, kuten safiiri, jotka sisältävät dispergoituja metalli-ioni-istutusten nanohiukkasia, ovat lupaavia materiaaleja optoelektroniikkaan ja epälineaariseen optiikkaan.

Ongelmia

Jokainen yksittäinen ioni tuottaa monia pistevirheitä kohdekiteeseen törmäyksen tai väliaineen aikana. Avoimet paikat ovat hilapisteitä, joissa atomi ei ole miehitetty: tässä tapauksessa ioni törmää kohdeatomiin, mikä johtaa siihen, että siihen siirtyy huomattava määrä energiaa niin, että se jättää sen.juoni. Tästä kohdekappaleesta tulee itse ammus kiinteässä kappaleessa ja se voi aiheuttaa peräkkäisiä törmäyksiä. Raot syntyvät, kun tällaiset hiukkaset pysähtyvät kiinteään aineeseen, mutta eivät löydä hilassa vapaata tilaa asuakseen. Nämä pistevauriot ioni-istutuksen aikana voivat siirtyä ja klusteroitua toistensa kanssa, mikä johtaa dislokaatiosilmukoiden muodostumiseen ja muihin ongelmiin.

Amorfisointi

Kristallografisten vaurioiden määrä voi olla riittävä siirtämään kohdepinnan kokonaan, eli siitä tulee tulla amorfinen kiinteä aine. Joissakin tapauksissa kohteen täydellinen amorfointi on parempi kuin kide, jossa on korkea viallisuusaste: tällainen kalvo voi kasvaa uudelleen alemmassa lämpötilassa kuin mitä tarvitaan vakavasti vaurioituneen kiteen hehkuttamiseen. Substraatin amorfoituminen voi tapahtua säteen muutosten seurauksena. Esimerkiksi istutettaessa yttrium-ioneja safiiriin säteen energialla 150 keV fluenssiin 510-16 Y+/sq. cm, muodostuu noin 110 nm paksu lasimainen kerros ulkopinnasta mitattuna.

Spray

Jotkin törmäystapahtumista aiheuttavat atomien sinkoamisen pinnasta, jolloin ioni-istutus syövyttää hitaasti pois pinnan. Vaikutus on havaittavissa vain erittäin suurilla annoksilla.

Ionikanava

Jos kohteeseen sovelletaan kristallografista rakennetta, erityisesti puolijohdesubstraateissa, joissa se on enemmänon auki, silloin tietyt ohjeet pysähtyvät paljon vähemmän kuin muut. Tuloksena on, että ionin kantama voi olla paljon suurempi, jos se liikkuu tarkasti tiettyä polkua pitkin, kuten piissä ja muissa timanttikuutiomateriaaleissa. Tätä vaikutusta kutsutaan ionikanavaatioksi ja, kuten kaikki vastaavat vaikutukset, se on erittäin epälineaarinen, ja pienet poikkeamat ihanteellisesta orientaatiosta johtavat merkittäviin eroihin implantaatiosyvyydessä. Tästä syystä useimmat kulkevat muutaman asteen poikki akselista, jolloin pienillä kohdistusvirheillä on ennustettavampia vaikutuksia.