İyon implantasyonu - Ion implantation

Bir iyon implantasyon sistemi LAAS Toulouse, Fransa'da teknolojik tesis.

İyon implantasyonu düşük sıcaklıkta bir süreçtir. iyonlar bir elemanın% 100'ü katı bir hedefe hızlandırılır, böylece hedefin fiziksel, kimyasal veya elektriksel özellikleri değişir. İyon implantasyonu yarı iletken cihaz imalatı ve metal kaplamada olduğu gibi malzeme bilimi Araştırma. İyonlar, dururlar ve hedefte kalırlarsa, hedefin temel bileşimini değiştirebilir (iyonların bileşimi hedeften farklıysa). İyon aşılaması, iyonlar hedefe yüksek enerjide çarptığında kimyasal ve fiziksel değişikliklere de neden olur. kristal yapı hedefin enerjik tarafından zarar görebilir veya hatta yok edilebilir. çarpışma kademeleri ve yeterince yüksek enerjiye sahip iyonlar (10s MeV) nükleer dönüşüm.

Genel prensip

Kütle ayırıcılı iyon implantasyon kurulumu

İyon implantasyon ekipmanı tipik olarak bir iyon kaynağı istenen elementin iyonlarının üretildiği yerde, gaz pedalı iyonların elektrostatik olarak yüksek bir enerjiye hızlandırıldığı yer ve iyonların implante edilecek malzeme olan bir hedefe çarptığı bir hedef oda. Bu nedenle iyon implantasyonu özel bir durumdur parçacık radyasyonu. 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 sürede implante edilebilecek doz küçüktür. Bu nedenle iyon implantasyonu, gerekli kimyasal değişim miktarının az olduğu durumlarda uygulama bulur.

Tipik iyon enerjileri 10 ila 500 aralığındadır keV (1.600 - 80.000 aJ). 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 hedefin altına düşer. iyon demeti birikimi. Daha yüksek enerjiler de kullanılabilir: 5 MeV (800,000 aJ) kapasiteli hızlandırıcılar yaygındır. Bununla birlikte, genellikle hedefte 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, katıdaki iyonların nüfuz etme derinliğini belirler: Tek enerjili bir iyon ışınının genellikle geniş bir derinlik dağılımı olacaktır. Ortalama penetrasyon derinliğine iyonların aralığı denir. Tipik koşullar altında iyon aralıkları 10 nanometre ile 1 mikrometre arasında olacaktır. Bu nedenle iyon implantasyonu, kimyasal veya yapısal değişimin hedef yüzeyine yakın olmasının istendiği durumlarda özellikle yararlıdır. İyonlar, hem hedef atomlarla ara sıra çarpışmalardan (ani enerji transferlerine neden olan) hem de sürekli bir süreç olan elektron orbitallerinin üst üste binmesinden kaynaklanan hafif bir sürüklenmeden dolayı katı içinde hareket ederken enerjilerini kademeli olarak kaybederler. Hedefteki iyon enerjisi kaybına Durduruluyor ve ile simüle edilebilir ikili çarpışma yaklaşımı yöntem.

İyon implantasyonu için hızlandırıcı sistemleri 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 iyon enerjileri ve 10 MeV'ye kadar) olarak sınıflandırılır. ) ve çok yüksek doz (10'dan fazla etkin doz implantı16 iyon / cm2).[kaynak belirtilmeli ]

Tüm iyon implantasyon ışın hattı tasarımı çeşitleri, belirli genel fonksiyonel bileşen gruplarını içerir (resme bakın). Bir iyon ışın hattının ilk büyük bölümü, iyon türlerini oluşturmak için iyon kaynağı olarak bilinen bir cihaz içerir. Kaynak, iyonların ışın hattına ekstraksiyonu için yanlı elektrotlara ve çoğu zaman ana hızlandırıcı bölümüne nakil için belirli bir iyon türünü seçmenin bazı yollarına yakından bağlıdır. "Kütle" seçimine genellikle, çıkarılan iyon ışınının, yalnızca kütle ve hız ürününün belirli bir değerine sahip iyonlara izin veren engelleme açıklıkları veya "yarıklar" tarafından sınırlandırılmış bir çıkış yolu ile bir manyetik alan bölgesinden geçişi eşlik eder. ışın hattında devam etmek için şarj edin. Hedef yüzey iyon ışını çapından daha büyükse ve hedef yüzey üzerinde implante edilmiş dozun muntazam bir dağılımı isteniyorsa, bu durumda bazı ışın taraması ve plaka hareketi kombinasyonu kullanılır. Son olarak, implante edilmiş yüzey, implante edilmiş iyonların birikmiş yükünü toplamak için bir yöntemle birleştirilir, böylece verilen doz sürekli bir şekilde ölçülebilir ve implant işlemi istenen doz seviyesinde durdurulur.[1]

Yarı iletken cihaz imalatında uygulama

Doping

Yarı iletken katkılama bor, fosfor veya arsenik ile iyon implantasyonunun yaygın bir uygulamasıdır. Bir yarı iletken içine implante edildiğinde, her bir katkı atomu yarı iletkende bir yük taşıyıcı oluşturabilir. tavlama. Bir delik bir için oluşturulabilir p tipi katkı maddesi ve bir elektron n tipi katkı maddesi. Bu, çevresindeki yarı iletkenin iletkenliğini değiştirir. Teknik, örneğin bir eşiğin ayarlanması için kullanılır. MOSFET.

İyon implantasyonu, 1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başlarında fotovoltaik cihazların p-n birleşimini üretmek için bir yöntem olarak geliştirilmiştir.[2] hızlı tavlama için darbeli elektron ışını kullanımı ile birlikte,[3] şimdiye kadar ticari üretim için kullanılmamış olmasına rağmen.

İzolatör üzerinde silikon

Geleneksel izolatör (SOI) substratları üzerinde silikon hazırlamak için önemli bir yöntem silikon substratlar SIMOX Gömülü yüksek doz oksijen implantının yüksek sıcaklıkta silikon okside dönüştürüldüğü (oksijen implantasyonu ile ayırma) süreci tavlama süreç.

Mezotaksi

Mezotaksi, konukçu kristalin yüzeyinin altında kristalografik olarak eşleşen bir fazın büyümesi için kullanılan terimdir ( epitaksi, bir substratın yüzeyindeki eşleşen fazın büyümesidir). Bu işlemde, iyonlar yeterince yüksek bir enerjide implante edilir ve ikinci bir faz tabakası oluşturmak için bir malzemeye dozlanır ve hedefin kristal yapısının tahrip edilmemesi için sıcaklık kontrol edilir. Kesin kristal yapı ve kafes sabiti çok farklı olsa bile, katmanın kristal oryantasyonu hedefinkine uyacak şekilde tasarlanabilir. Örneğin, nikel iyonlarının silikon bir gofretin içine yerleştirilmesinden sonra, nikel silisit silisitin kristal oryantasyonunun silikonunkiyle eşleştiği şekilde büyütülebilir.

Metal kaplamada uygulama

Takım çeliği sertleştirme

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

Yüzey işleme

Bazı uygulamalarda, örneğin yapay eklemler gibi protez cihazlarda, hem kimyasal korozyona hem de sürtünmeden kaynaklanan aşınmaya karşı çok dirençli yüzeylere sahip olmak istenir. İyon implantasyonu, bu tür 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 kimyasal olarak daha dirençli hale getirmek için yüzeyin alaşımlanmasını içerir.

Diğer uygulamalar

İyon ışını karıştırma

İyon implantasyonu elde etmek için kullanılabilir iyon demeti karışımı, yani farklı elementlerin atomlarını bir arayüzde karıştırmak. Bu, kademeli arayüzler elde etmek veya karışmayan malzeme katmanları arasındaki yapışmayı güçlendirmek için faydalı olabilir.

İyon implantasyonu kaynaklı nanopartikül oluşum

İyon implantasyonu, oksitlerde nano boyutlu partikülleri indüklemek için kullanılabilir. safir ve silika. Partiküller, iyon implante edilmiş türlerin çökelmesi sonucu oluşabilir, hem iyon implante elementi hem de oksit substratı içeren karışık bir oksit türünün üretilmesi sonucu oluşabilir ve İlk olarak Hunt ve Hampikian tarafından bildirilen, substratın azalmasının bir sonucu.[4][5][6] Nanopartikül üretmek için kullanılan tipik iyon ışını enerjileri 50 ila 150 keV arasında değişir ve iyon akıcılığı 1016 10'a kadar18 iyon / cm2.[7][8][9][10][11][12][13][14][15] 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 edilmiş iyon ve substratın kombinasyonlarını içerebilen veya yalnızca substratla ilişkili katyondan oluşan bileşimlerle çok çeşitli nanopartiküller oluşturulabilir. .

Dağınık metal nanopartiküller içeren safir gibi dielektriklere dayalı kompozit malzemeler, optoelektronik ve doğrusal olmayan optik.[11]

İmplante Edilen TürlerSubstratİyon Işını Enerjisi (keV)Akıcılık (iyon / cm2)İmplantasyon Sonrası Isıl İşlemSonuçKaynak
İmplante İyon İçeren Oksitler üretirCoAl2Ö3655*10171400 ° C'de tavlamaFormlar Al2CoO4 spinel[7]
Coα-Al2Ö31502*1017Oksitleyici ortamda 1000 ° C'de tavlamaFormlar Al2CoO4 spinel[8]
MgAl2Ö31505*1016---Formlar MgAl2Ö4 trombositler[4]
Snα-Al2Ö3601*1017O tavlama2 1 saat boyunca 1000 ° C'de atmosfer30 nm SnO2 nanopartiküller formu[15]
Znα-Al2Ö3481*1017O tavlama2 600 ° C'de atmosferZnO nanopartiküller formu[9]
ZrAl2Ö3655*10171400 ° C'de tavlamaZrO2 çökelti formu[7]
İmplante Edilen Türlerden Metalik Nanopartiküller üretirAgα-Al2Ö31500, 20002*1016, 8*1016Oksitleme, indirgeme, Ar veya N'de 600 ° C'den 1100 ° C'ye tavlama2 atmosferlerAl'de Ag nanopartiküller2Ö3 matris[10]
Auα-Al2Ö31600.6*1017, 1*1016Havada 800 ° C'de 1 saatAl'de Au nanopartiküller2Ö3 matris[11]
Auα-Al2Ö31500, 20002*1016, 8*1016Oksitleme, indirgeme, Ar veya N'de 600 ° C'den 1100 ° C'ye tavlama2 atmosferlerAl'de Au nanopartiküller2Ö3 matris[10]
Coα-Al2Ö3150<5*10161000 ° C'de tavlamaAl'de Co nanopartiküller2Ö3 matris[8]
Coα-Al2Ö31502*1017Ortam sıcaklığını düşürmede 1000 ° C'de tavlamaMetalik Co çökelmesi[8]
Feα-Al2Ö31601*1016 2 * 10'a kadar17Ortam sıcaklığını düşürmede 700 ° C'den 1500 ° C'ye 1 saat tavlamaFe nanokompozitler[12]
Niα-Al2Ö3641*1017---1-5 nm Ni nanopartiküller[13]
Siα-Al2Ö3502*1016, 8*1016500 ° C veya 1000 ° C'de 30 dakika tavlamaAl'de Si nanopartiküller2Ö3[14]
Snα-Al2Ö3601*1017---15 nm tetragonal Sn nanopartiküller[15]
Tiα-Al2Ö3100<5*10161000 ° C'de tavlamaAl'de Ti nanopartiküller2Ö3[8]
Substrattan Metalik Nanopartiküller üretirCAAl2Ö31505*1016---Al içeren amorf matriste Al nanopartiküller2Ö3 ve CaO[4]
YAl2Ö31505*1016---Al içeren amorf matriste 10.7 ± 1.8 nm Al parçacıkları2Ö3 ve Y2Ö3[4]
YAl2Ö31502.5*1016---Al içeren amorf matriste 9.0 ± 1.2 nm Al parçacıkları2Ö3 ve Y2Ö3[5]

İyon implantasyonu ile ilgili sorunlar

Kristalografik hasar

Her bir iyon çok sayıda nokta kusurları hedef kristalde boşluklar ve geçiş reklamları gibi etki üzerine. Boş yerler, bir atom tarafından kullanılmayan kristal kafes noktalarıdır: bu durumda iyon, bir hedef atomla çarpışarak, kristal bölgesini terk edecek şekilde hedef atoma önemli miktarda enerji aktarımı ile sonuçlanır. Bu hedef atom daha sonra katıda bir mermi haline gelir ve ardışık çarpışma olayları Ara reklamlar, bu tür atomlar (veya orijinal iyonun kendisi) katıda durduğunda, ancak kafeste kalacak boş alan bulamadığında ortaya çıkar. Bu nokta kusurları taşınabilir ve birbirleriyle kümelenerek çıkık döngüler ve diğer kusurlar.

Hasar kurtarma

İyon implantasyonu, hedefin kristal yapısında genellikle istenmeyen bir hasara neden olduğu için, iyon implantasyon işlemini genellikle bir termal tavlama izler. Bu, hasar kurtarma olarak adlandırılabilir.

Amorflaştırma

Kristalografik hasar miktarı, hedefin yüzeyini tamamen amorf hale getirmek için yeterli olabilir: yani amorf katı (bir eriyikten üretilen böyle bir katıya bardak ). Bazı durumlarda, bir hedefin tamamen amorfizasyonu, oldukça kusurlu bir kristale tercih edilir: Amorfize bir film, oldukça hasarlı bir kristali tavlamak için gerekenden daha düşük bir sıcaklıkta yeniden büyütülebilir. Kiriş hasarının bir sonucu olarak alt tabakanın amorfizasyonu meydana gelebilir. Örneğin, 150 keV'lik bir iyon ışını enerjisinde 5 * 10'luk bir akıma kadar safire itriyum iyon implantasyonu16 Y+/santimetre2 dış yüzeyden ölçüldüğünde kalınlığı yaklaşık 110 nm olan amorf bir camsı tabaka üretir. [Hunt, 1999]

Püskürtme

Bazı çarpışma olayları atomların fırlatılmasına neden olur (püskürtülmüş ) yüzeyden uzaklaştırılır ve böylece iyon implantasyonu bir yüzeyi yavaşça aşındırır. Etki yalnızca çok büyük dozlar için kayda değerdir.

İyon kanalizasyon

Bir elmas küp kristal <110> altıgen iyon kanallarını gösteren yön.

Hedefe bir kristalografik yapı varsa ve özellikle kristal yapının daha açık olduğu yarı iletken substratlarda, belirli kristalografik yönler diğer yönlere göre çok daha düşük durma sağlar. Sonuç olarak, iyon belirli bir yön boyunca tam olarak hareket ederse, bir iyonun menzili çok daha uzun olabilir, örneğin, <110> yönünde silikon ve diğeri elmas kübik malzemeler.[16] Bu etkiye iyon kanalizasyonve hepsi gibi kanallık etkileri, son derece doğrusal değildir ve mükemmel oryantasyondan küçük farklılıklar, implantasyon derinliğinde aşırı farklılıklara neden olur. Bu nedenle, çoğu implantasyon, küçük hizalama hatalarının daha öngörülebilir etkilere sahip olacağı eksen dışında birkaç derece gerçekleştirilir.

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

Emniyet

Tehlikeli maddeler

Fabrikasyonda gofretler, toksik gibi malzemeler Arsine ve fosfin iyon implanter işleminde sıklıkla kullanılmaktadır. Diğer ortak kanserojen, aşındırıcı, yanıcı veya toksik elementler şunları içerir: antimon, arsenik, fosfor, ve bor. Yarı iletken imalatı Tesisler son derece otomatiktir, ancak makinelerde, bakım sırasında ve makinelerde tehlikeli eleman kalıntılarıyla karşılaşılabilir. vakum pompası donanım.

Yüksek voltajlar ve partikül hızlandırıcılar

İyon implantasyonu için gerekli olan iyon hızlandırıcılarda kullanılan yüksek voltajlı güç kaynakları, elektrik yaralanması. Ek olarak, yüksek enerjili atomik çarpışmalar oluşturabilir X ışınları ve bazı durumlarda diğer iyonlaştırıcı radyasyon ve radyonüklitler. Yüksek gerilime ek olarak, parçacık hızlandırıcılar radyo frekansı gibi doğrusal parçacık hızlandırıcılar ve lazer wakefield plazma hızlandırıcıları diğer tehlikeleri sunar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Hamm, Robert W .; Hamm, Marianne E. (2012). Endüstriyel Hızlandırıcılar ve Uygulamaları. World Scientific. ISBN  978-981-4307-04-8.
  2. ^ A. J. Armini, S. N. Bunker ve M. B. Spitzer, "Yüksek Hacimli Güneş Pili Üretimi için Kütle Analiz Edilmemiş İyon İmplantasyon Ekipmanı", Proc. 16. IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konferansı, 27-30 Eylül 1982, San Diego California, s. 895-899.
  3. ^ G. Landis ve diğerleri, "Güneş Pili Üretimi için Darbeli Elektron Işını Tavlaması için Aparat ve Teknik", Proc. 15th IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konf., Orlando FL; 976-980 (1981).
  4. ^ a b c d Hunt, Eden; Hampikian, Janet (1999). "Al2O3 ve SiO2'de indirgeme yoluyla iyon implantasyonu kaynaklı nano ölçekli parçacık oluşumu". Açta Materialia. 47 (5): 1497–1511. doi:10.1016 / S1359-6454 (99) 00028-2.
  5. ^ a b Hunt, Eden; Hampikian, Janet (Nisan 2001). "Alüminada alüminyum nano partikül oluşumunu etkileyen implantasyon parametreleri". Malzeme Bilimi Dergisi. 36 (8): 1963–1973. doi:10.1023 / A: 1017562311310. S2CID  134817579.
  6. ^ Hunt, Eden; Hampikian, Janet. "İyon implantasyonu yöntemi, indirgeme yoluyla gömülü partikül oluşumunu tetikledi". uspto.gov. USPTO. Alındı 4 Ağustos 2017.
  7. ^ a b c Werner, Z .; Pisarek, M .; Barlak, M .; Ratajczak, R .; Starosta, W .; Piekoszewski, J .; Szymczyk, W .; Grotzschel, R. (2009). "Zr- ve Co-implante safirdeki kimyasal etkiler". Vakum. 83: S57 – S60. doi:10.1016 / j.vacuum.2009.01.022.
  8. ^ a b c d e Alves, E .; Marques, C .; da Silva, R.C .; Monteiro, T .; Soares, J .; McHargue, C .; Ononye, ​​L.C .; Allard, L.F (2003). "Co ve Ti implante edilmiş safirin yapısal ve optik çalışmaları". Nükleer Aletler ve Fizik Araştırmalarında Yöntemler Bölüm B: Malzemeler ve Atomlar ile Işın Etkileşimleri. 207 (1): 55–62. doi:10.1016 / S0168-583X (03) 00522-6.
  9. ^ a b Xiang, X .; Zu, X. T .; Zhu, S .; Wei, Q. M .; Zhang, C. F; Güneş, K; Wang, L.M. (2006). "İyon implantasyonu ve tavlama ile üretilen safire gömülü ZnO nanopartiküller" (PDF). Nanoteknoloji. 17 (10): 2636–2640. doi:10.1088/0957-4484/17/10/032. hdl:2027.42/49223. PMID  21727517.
  10. ^ a b c Mota-Santiago, Pablo-Ernesto; Crespo-Sosa, Alejandro; Jimenez-Hernandez, Jose-Luis; Silva-Pereyra, Hector-Gabriel; Reyes-Esqueda, Jorge-Alejandro; Oliver, Alicia (2012). "İyon ışınlaması ve ardından termal tavlama ile safir içinde oluşan asil metal nano kristallerin boyut karakterizasyonu". Uygulamalı Yüzey Bilimi. 259: 574–581. doi:10.1016 / j.apsusc.2012.06.114.
  11. ^ a b c Stepanov, A. L .; Marques, C .; Alves, E .; da Silva, R. C .; Silva, M.R .; Ganeev, R. A .; Ryasnyansky, A. I .; Usmanov, T. (2005). "Safir matrikste iyon implantasyonu ile sentezlenen altın nanopartiküllerin doğrusal olmayan optik özellikleri". Teknik Fizik Mektupları. 31 (8): 702–705. doi:10.1134/1.2035371. S2CID  123688388.
  12. ^ a b McHargue, C.J .; Ren, S.X .; Hunn, J.D (1998). "İyon implantasyonu ve tavlama ile hazırlanan safir içindeki demir nanometre boyutunda dispersiyonları". Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: A. 253 (1): 1–7. doi:10.1016 / S0921-5093 (98) 00722-9.
  13. ^ a b Xiang, X .; Zu, X. T .; Zhu, S .; Wang, L.M. (2004). "Ni-iyon implante edilmiş α-Al2O3 tek kristallerinde metalik nanopartiküllerin optik özellikleri". Uygulamalı Fizik Mektupları. 84: 52–54. doi:10.1063/1.1636817.
  14. ^ a b Sharma, S. K .; Pujari, P. K. (2017). "İyon implantasyonu ile sentezlenen α-alümina içerisine gömülü Si nanokümeleri: Derinliğe bağlı Doppler genişleme spektroskopisi kullanan bir araştırma". Alaşım ve Bileşikler Dergisi. 715: 247–253. doi:10.1016 / j.jallcom.2017.04.285.
  15. ^ a b c Xiang, X; Zu, X. T .; Zhu, S .; Wang, L. M .; Shutthanandan, V .; Nachimuthu, P .; Zhang, Y. (2008). "Al2O3'e gömülü SnO2 nanopartiküllerinin fotolüminesansı" (PDF). Journal of Applied Physics D: Uygulamalı Fizik. 41 (22): 225102. doi:10.1088/0022-3727/41/22/225102. hdl:2027.42/64215.
  16. ^ 1936-, Ohring, Milton (2002). İnce filmlerin malzeme bilimi: biriktirme ve yapı (2. baskı). San Diego, CA: Academic Press. ISBN  9780125249751. OCLC  162575935.CS1 bakimi: sayısal isimler: yazarlar listesi (bağlantı)

Dış bağlantılar