iyon implantasyonu - Ion implantation

Fransa, Toulouse'daki LAAS teknolojik tesisinde bir iyon implantasyon sistemi .

İyon implantasyonu , bir elementin iyonlarının katı bir hedefe hızlandırılarak hedefin fiziksel, kimyasal veya elektriksel özelliklerini değiştirdiği düşük sıcaklıkta bir işlemdir . İyon implantasyonu, yarı iletken cihaz imalatında ve metal kaplamada ve ayrıca malzeme bilimi araştırmalarında kullanılır. İyonlar, eğer dururlar ve hedefte kalırlarsa, hedefin elementel bileşimini değiştirebilirler (eğer iyonlar bileşim olarak hedeften farklıysa). İyon implantasyonu, iyonlar hedefe yüksek enerjiyle çarptığında kimyasal ve fiziksel değişikliklere de neden olur. Kristal yapı , hedefin hasar görmüş ya da daha enerjik tarafından yok edilebilir çarpışma kaskadları ve yeterince yüksek enerji (MeV 10s) iyonları neden olabilir nükleer dönüşümlerinin .

Genel prensip

Kütle ayırıcılı iyon implantasyonu kurulumu

İyon katkılama ekipmanlar tipik olarak, oluşan iyon kaynağının istenen elemanın iyonlar üretilir, bir hızlandırıcı malzeme iyonları bir hedef üzerine çarpan iyonlar elektrostatik yüksek enerjiye hızlandırılır, ve bir hedef bölme, implante edilecek. Bu nedenle iyon implantasyonu parçacık radyasyonunun özel bir durumudur . Her iyon tipik olarak tek bir atom veya moleküldür ve bu nedenle hedefe implante edilen gerçek malzeme miktarı, iyon akımının zaman içindeki integralidir. Bu miktara doz denir. İmplantlar tarafından sağlanan akımlar tipik olarak küçüktür (mikro amper) ve bu nedenle makul bir süre içinde implante edilebilecek doz küçüktür. Bu nedenle, iyon implantasyonu, gerekli kimyasal değişiklik miktarının küçük olduğu durumlarda uygulama bulur.

Tipik iyon enerjileri 10 ila 500 keV (1.600 ila 80.000 aJ) aralığındadır . 1 ila 10 keV (160 ila 1.600 aJ) aralığındaki enerjiler kullanılabilir, ancak yalnızca birkaç nanometre veya daha az penetrasyonla sonuçlanır. Bundan daha düşük enerjiler hedefe çok az zarar verir ve iyon ışını birikimi tanımının altına girer . Daha yüksek enerjiler de kullanılabilir: 5 MeV (800.000 aJ) kapasiteli hızlandırıcılar yaygındır. Bununla birlikte, hedefte genellikle büyük yapısal hasar vardır ve derinlik dağılımı geniş olduğu için ( Bragg zirvesi ), hedefin herhangi bir noktasındaki net kompozisyon değişikliği küçük olacaktır.

İyonların enerjisinin yanı sıra iyon türleri ve hedefin bileşimi, iyonların katıdaki penetrasyon derinliğini belirler: Bir monoenerjetik iyon demeti genellikle geniş bir derinlik dağılımına sahip olacaktır. Ortalama penetrasyon derinliği iyonların aralığı olarak adlandırılır. Tipik koşullar altında iyon aralıkları 10 nanometre ile 1 mikrometre arasında olacaktır. Bu nedenle iyon implantasyonu, kimyasal veya yapısal değişikliğin hedefin yüzeyine yakın olması istendiği durumlarda özellikle yararlıdır. İyonlar, hem hedef atomlarla ara sıra çarpışmalardan (ani enerji transferlerine neden olur) hem de sürekli bir süreç olan elektron orbitallerinin üst üste binmesinden kaynaklanan hafif bir sürüklenme nedeniyle katı içinde ilerlerken enerjilerini kademeli olarak kaybederler. Hedefteki iyon enerjisi kaybına durma denir ve ikili çarpışma yaklaşımı yöntemiyle simüle edilebilir .

İyon implantasyonu için hızlandırıcı sistemler genellikle orta akım (10 μA ile ~2 mA arasındaki iyon ışını akımları), yüksek akım (~30 mA'ya kadar iyon ışını akımları), yüksek enerji (200 keV'nin üzerindeki ve 10 MeV'ye kadar olan iyon enerjileri) olarak sınıflandırılır. ) ve çok yüksek doz (10 ¹⁶ iyon/cm ^{2 '} den daha yüksek dozda etkili implant ).

İyon implantasyon ışın hattı tasarımlarının tüm çeşitleri, belirli genel fonksiyonel bileşen gruplarını içerir (resme bakın). Bir iyon demet hattının ilk büyük bölümü, iyon türlerini oluşturmak için bir iyon kaynağı olarak bilinen bir cihazı içerir. Kaynak, iyonların hüzme hattına çekilmesi için öngerilimli elektrotlara ve çoğunlukla ana hızlandırıcı bölümüne taşınmak üzere belirli bir iyon türünün seçilmesine yönelik bazı araçlara yakından bağlıdır. "Kütle" seçimine, genellikle, yalnızca kütle ve hız çarpımının belirli bir değerine sahip iyonlara izin veren, bloke edici açıklıklar veya "yarıklar" ile sınırlanan bir çıkış yolu ile bir manyetik alan bölgesinden çıkarılan iyon ışınının geçişi eşlik eder. ışın hattında devam etmek için şarj edin. Hedef yüzey iyon ışını çapından daha büyükse ve hedef yüzey üzerinde implante edilen dozun tek tip bir dağılımı isteniyorsa, ışın taraması ve gofret hareketinin bir kombinasyonu kullanılır. Son olarak, nakledilen dozun sürekli bir şekilde ölçülebilmesi ve implant işleminin istenen doz seviyesinde durdurulabilmesi için implante edilen yüzey, implante edilen iyonların biriken yükünü toplamak için bir yöntemle birleştirilir.

Yarı iletken cihaz imalatında uygulama

Doping

Bor, fosfor veya arsenik ile yarı iletken katkılama , iyon implantasyonunun yaygın bir uygulamasıdır. Bir yarı iletken implante, her katkı maddesi atomu sonra yarı iletken bir yük taşıyıcı oluşturabilir tavlama . Bir p-tipi katkı için bir delik ve bir n-tipi katkı için bir elektron oluşturulabilir . Bu, çevresindeki yarı iletkenin iletkenliğini değiştirir. Teknik, örneğin bir MOSFET'in eşik voltajını ayarlamak için kullanılır .

İyon implantasyonu, bugüne kadar ticari üretim için kullanılmamasına rağmen, hızlı tavlama için darbeli elektron ışını kullanımıyla birlikte 1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başında fotovoltaik cihazların pn birleşimini üretme yöntemi olarak geliştirilmiştir.

Yalıtkan üzerinde silikon

Konvansiyonel silikon substratlardan yalıtkan (SOI) substratlar üzerinde silikon hazırlamak için öne çıkan bir yöntem , gömülü bir yüksek doz oksijen implantının yüksek sıcaklıkta tavlama prosesi ile silikon okside dönüştürüldüğü SIMOX (oksijen implantasyonu ile ayırma) prosesidir.

mezotaksi

Mezotaksi, konak kristalin yüzeyinin altında kristalografik olarak eşleşen bir fazın büyümesi için kullanılan terimdir (bir substratın yüzeyindeki eşleşen fazın büyümesi olan epitaksi ile karşılaştırıldığında ). Bu süreçte iyonlar, ikinci bir faz tabakası oluşturmak için malzemeye yeterince yüksek bir enerji ve dozda implante edilir ve hedefin kristal yapısının bozulmaması için sıcaklık kontrol edilir. Tam kristal yapı ve kafes sabiti çok farklı olsa bile, tabakanın kristal oryantasyonu hedefin oryantasyonu ile eşleşecek şekilde tasarlanabilir. Örneğin, bir silikon gofrete nikel iyonlarının implantasyonundan sonra, silisidin kristal yöneliminin silikonunkiyle eşleştiği bir nikel silisit tabakası büyütülebilir.

Metal kaplamada uygulama

Takım çeliği sertleştirme

Azot veya diğer iyonlar, bir alet çeliği hedefine (örneğin matkap uçları) implante edilebilir. İmplantasyonun neden olduğu yapısal değişiklik, çelikte çatlak yayılmasını önleyen ve böylece malzemeyi kırılmaya karşı daha dirençli hale getiren bir yüzey sıkıştırması üretir. Kimyasal değişim ayrıca aleti korozyona karşı daha dirençli hale getirebilir.

Yüzey bitirme

Bazı uygulamalarda, örneğin yapay eklemler gibi protetik cihazlarda, hem kimyasal korozyona hem de sürtünmeden kaynaklanan aşınmaya karşı çok dayanıklı yüzeylere sahip olunması istenmektedir. İyon implantasyonu, bu gibi durumlarda, daha güvenilir performans için bu tür cihazların yüzeylerini tasarlamak için kullanılır. Takım çeliklerinde olduğu gibi, iyon implantasyonunun neden olduğu yüzey modifikasyonu, hem çatlak yayılmasını önleyen bir yüzey sıkıştırmasını hem de korozyona karşı kimyasal olarak daha dirençli hale getirmek için yüzeyin alaşımlanmasını içerir.

Diğer uygulamalar

İyon ışını karıştırma

İyon implantasyonu, iyon ışını karışımını , yani bir arayüzde farklı elementlerin atomlarını karıştırmayı başarmak için kullanılabilir . Bu, kademeli arayüzler elde etmek veya karışmaz malzeme katmanları arasındaki yapışmayı güçlendirmek için faydalı olabilir.

İyon implantasyonu kaynaklı nanoparçacık oluşumu

İyon implantasyonu, safir ve silika gibi oksitlerde nano boyutlu parçacıkları indüklemek için kullanılabilir . Parçacıklar, implante edilmiş iyon türlerinin çökeltilmesinin bir sonucu olarak oluşturulabilir, hem iyon implante edilmiş elementi hem de oksit substratı içeren karışık bir oksit türlerinin üretilmesinin bir sonucu olarak oluşturulabilir ve şu şekilde oluşturulabilir: İlk olarak Hunt ve Hampikian tarafından rapor edilen substrattaki azalmanın bir sonucu. Üretmek nanopartiküller için kullanılan tipik iyon ışını enerjileri 10 arasındadır, iyon akızamanları ile, 50 ile 150 keV aralığında ¹⁶ 10 için ¹⁸ iyonları / cm ² . Aşağıdaki tablo, bir safir alt tabaka için bu alanda yapılan çalışmaların bir kısmını özetlemektedir. 1 nm'den 20 nm'ye kadar boyut aralıklarında ve implante edilen türleri, implante edilen iyon ve substrat kombinasyonlarını içerebilen veya yalnızca substratla ilişkili katyondan oluşan bileşimlerle çok çeşitli nanopartiküller oluşturulabilir. .

Dağınık metal nanoparçacıklar içeren safir gibi dielektriklere dayalı kompozit malzemeler, optoelektronik ve doğrusal olmayan optikler için umut verici malzemelerdir .

İyon implantasyonu ile ilgili sorunlar

kristalografik hasar

Her bir iyon , hedef kristalde, boşluklar ve geçiş reklamları gibi darbe üzerine birçok nokta kusuru üretir . Boşluklar, bir atom tarafından işgal edilmeyen kristal kafes noktalarıdır: bu durumda iyon, hedef atomla çarpışır ve hedef atoma önemli miktarda enerjinin transferiyle sonuçlanarak, kristal bölgesinden ayrılır. Bu hedef atom daha sonra katı içinde bir mermi haline gelir ve ardışık çarpışma olaylarına neden olabilir . Ara reklamlar, bu tür atomlar (veya orijinal iyonun kendisi) katı içinde durduğunda, ancak kafeste kalacak boş alan bulamadığında ortaya çıkar. Bu nokta kusurları birbirleriyle göç edebilir ve kümelenebilir, bu da dislokasyon döngülerine ve diğer kusurlara neden olabilir.

Hasar kurtarma

İyon implantasyonu, genellikle istenmeyen olan hedefin kristal yapısına zarar verdiğinden, iyon implantasyon işleminin ardından genellikle bir termal tavlama yapılır. Bu, hasar kurtarma olarak adlandırılabilir.

amorfizasyon

Kristalografik hasarın miktarı, hedefin yüzeyini tamamen amorfize etmek için yeterli olabilir: yani, amorf bir katı haline gelebilir (bir eriyikten üretilen böyle bir katıya cam denir ). Bazı durumlarda, bir hedefin tam amorfizasyonu, oldukça kusurlu bir kristale tercih edilir: Amorfize edilmiş bir film, oldukça hasar görmüş bir kristali tavlamak için gerekenden daha düşük bir sıcaklıkta yeniden büyütülebilir. Alt tabakanın amorfizasyonu, kiriş hasarının bir sonucu olarak meydana gelebilir. Örneğin, 5 x 10 bir akıcılığa 150 keV bir iyon huzmesi enerjisine safir içine itriyum iyon implantasyonu ¹⁶ Y ⁺ / cm ² yaklaşık olarak dış yüzeyinden ölçülen kalınlık 110 nm, şekilsiz camsı bir tabaka oluşturur. [Av, 1999]

püskürtme

Çarpışma olaylarından bazıları, atomların yüzeyden püskürtülmesiyle ( püskürtülmesiyle ) sonuçlanır ve bu nedenle iyon implantasyonu bir yüzeyi yavaşça aşındırır. Etki sadece çok büyük dozlar için kayda değerdir.

iyon kanallama

<110> yönünden bakıldığında altıgen iyon kanallarını gösteren bir elmas kübik kristal .

Hedefte kristalografik bir yapı varsa ve özellikle kristal yapının daha açık olduğu yarı iletken substratlarda, belirli kristalografik yönler diğer yönlerden çok daha düşük durma sunar. Sonuç olarak, iyon tam olarak belirli bir yön boyunca hareket ederse, örneğin silikon ve diğer elmas kübik malzemelerde <110> yönü boyunca hareket ederse, bir iyonun menzili çok daha uzun olabilir . Bu etkiye iyon kanallama denir ve tüm kanallama etkileri gibi , mükemmel oryantasyondan küçük farklılıklar ile implantasyon derinliğinde aşırı farklılıklar ile sonuçlanan oldukça doğrusal değildir. Bu nedenle, çoğu implantasyon, küçük hizalama hatalarının daha öngörülebilir etkilere sahip olacağı eksen dışında birkaç derece gerçekleştirilir.

İyon kanallama, kristalin ince film malzemelerindeki hasarın miktarını ve derinlik profilini belirlemek için analitik bir yöntem olarak Rutherford geri saçılımında ve ilgili tekniklerde doğrudan kullanılabilir .

Emniyet

Tehlikeli maddeler

İmal olarak gofret , toksik gibi malzemeler arsin ve fosfin genellikle iyonik uygulayıcı işlemi için kullanılırlar. Diğer yaygın kanserojen , aşındırıcı , yanıcı veya toksik elementler arasında antimon , arsenik , fosfor ve bor bulunur . Yarı iletken üretim tesisleri son derece otomatiktir, ancak bakım sırasında ve vakum pompası donanımında makinelerde tehlikeli element kalıntılarıyla karşılaşılabilir .

Yüksek voltajlar ve parçacık hızlandırıcılar

İyon implantasyonu için gerekli olan iyon hızlandırıcılarda kullanılan yüksek voltajlı güç kaynakları, elektriksel yaralanma riski oluşturabilir . Ek olarak, yüksek enerjili atomik çarpışmalar, X-ışınları ve bazı durumlarda diğer iyonlaştırıcı radyasyon ve radyonüklidler üretebilir . Yüksek voltaj ek olarak, parçacık hızlandırıcı radyo frekansı gibi parçacık hızlandırıcılarda, doğrusal ve lazer çalkantı plazma hızlandırıcı mevcut diğer tehlikelerden.

Ayrıca bakınız

• Maddedeki İyonların Durdurulması ve Aralığı

Referanslar

Dış bağlantılar