Impianto ionico: concetto, principio di funzionamento, metodi, scopo e applicazione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

L'impianto ionico è un processo a bassa temperatura mediante il quale i componenti di un singolo elemento vengono accelerati nella superficie solida di un wafer, modificandone così le proprietà fisiche, chimiche o elettriche. Questo metodo è utilizzato nella produzione di dispositivi a semiconduttore e nella finitura dei metalli, nonché nella ricerca nella scienza dei materiali. I componenti possono modificare la composizione elementare del piatto se si fermano e rimangono al suo interno. L'impianto di ioni provoca anche cambiamenti chimici e fisici quando gli atomi si scontrano con un bersaglio ad alta energia. La struttura cristallina della placca può essere danneggiata o addirittura distrutta da cascate di energia di collisioni e particelle di energia sufficientemente elevata (10 MeV) possono causare trasmutazione nucleare.

Principio generale dell'impianto ionico

L'attrezzatura di solito consiste in una sorgente in cui si formano gli atomi dell'elemento desiderato, un acceleratore in cui vengono accelerati elettrostaticamente a un livello elevatoenergia e camere bersaglio in cui entrano in collisione con il bersaglio, che è il materiale. Pertanto, questo processo è un caso speciale di radiazione di particelle. Ogni ione è solitamente un singolo atomo o molecola, e quindi la quantità effettiva di materiale impiantato nel bersaglio è l'integrale temporale della corrente ionica. Questo numero è chiamato dose. Le correnti fornite dagli impianti sono generalmente piccole (microampere) e quindi la quantità che può essere impiantata in un ragionevole lasso di tempo è piccola. Pertanto, l'impianto ionico viene utilizzato nei casi in cui il numero di modifiche chimiche richieste è piccolo.

Le energie ioniche tipiche vanno da 10 a 500 keV (da 1600 a 80000 aJ). L'impianto ionico può essere utilizzato a basse energie nell'intervallo da 1 a 10 keV (da 160 a 1600 aJ), ma la penetrazione è di pochi nanometri o meno. Una potenza al di sotto di questo provoca danni minimi al bersaglio e rientra nella designazione di deposizione del fascio di ioni. E possono essere utilizzate anche energie più elevate: sono comuni acceleratori capaci di 5 MeV (800.000 aJ). Tuttavia, c'è spesso molti danni strutturali al bersaglio e, poiché la distribuzione della profondità è ampia (picco di Bragg), il cambiamento netto nella composizione in qualsiasi punto del bersaglio sarà piccolo.

L'energia degli ioni, così come i diversi tipi di atomi e la composizione del bersaglio, determinano la profondità di penetrazione delle particelle in un solido. Un fascio ionico monoenergetico di solito ha un'ampia distribuzione della profondità. La penetrazione media è chiamata intervallo. Ain condizioni tipiche sarà compreso tra 10 nanometri e 1 micrometro. Pertanto, l'impianto di ioni a bassa energia è particolarmente utile nei casi in cui si desidera che il cambiamento chimico o strutturale sia vicino alla superficie bersaglio. Le particelle perdono gradualmente la loro energia mentre attraversano un solido, sia per collisioni casuali con atomi bersaglio (che causano bruschi trasferimenti di energia) sia per una leggera decelerazione dovuta alla sovrapposizione degli orbitali degli elettroni, che è un processo continuo. La perdita di energia degli ioni in un bersaglio è chiamata stallo e può essere modellata utilizzando il metodo di impiantazione ionica dell'approssimazione di collisione binaria.

I sistemi di accelerazione sono generalmente classificati in media corrente, alta corrente, alta energia e dose molto significativa.

Tutte le varietà di progetti di fasci di impiantazione ionica contengono determinati gruppi comuni di componenti funzionali. Considera degli esempi. Le prime basi fisiche e fisico-chimiche dell'impianto ionico includono un dispositivo noto come sorgente per la generazione di particelle. Questo dispositivo è strettamente associato con elettrodi polarizzati per estrarre atomi nella linea del fascio e molto spesso con alcuni mezzi per selezionare modalità specifiche per il trasporto alla sezione principale dell'acceleratore. La selezione della "massa" è spesso accompagnata dal passaggio del fascio ionico estratto attraverso una regione di campo magnetico con un percorso di uscita limitato da fori di blocco o "fessure" che consentono solo ioni con un certo valore del prodotto di massa e velocità. Se la superficie target è maggiore del diametro del fascio ionico ese la dose impiantata è distribuita in modo più uniforme su di essa, viene utilizzata una combinazione di scansione del raggio e movimento della placca. Infine, il target è collegato a un modo per raccogliere la carica accumulata degli ioni impiantati in modo che la dose erogata possa essere misurata continuamente e il processo interrotto al livello desiderato.

Applicazione nella produzione di semiconduttori

Il doping con boro, fosforo o arsenico è un'applicazione comune di questo processo. Nell'impianto ionico di semiconduttori, ogni atomo drogante può creare un portatore di carica dopo la ricottura. Puoi costruire un buco per un drogante di tipo p e un elettrone di tipo n. Questo cambia la conduttività del semiconduttore nelle sue vicinanze. La tecnica viene utilizzata, ad esempio, per regolare la soglia di un MOSFET.

L'impianto ionico è stato sviluppato come metodo per ottenere una giunzione pn nei dispositivi fotovoltaici alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80, insieme all'uso di un fascio di elettroni pulsati per la ricottura rapida, sebbene fino ad oggi non sia stato commercializzato.

Silico sull'isolante

Uno dei metodi ben noti per produrre questo materiale su substrati isolanti (SOI) da substrati di silicio convenzionali è il processo SIMOX (separazione mediante impianto di ossigeno), in cui l'aria ad alto dosaggio viene convertita in ossido di silicio attraverso un processo di ricottura ad alta temperatura.

Mesotassia

Questo è il termine per la crescita cristallograficamentefase coincidente sotto la superficie del cristallo principale. In questo processo, gli ioni vengono impiantati a un'energia sufficientemente elevata e dosati nel materiale per creare un secondo strato di fase e la temperatura viene controllata in modo che la struttura bersaglio non venga distrutta. L'orientamento cristallino dello strato può essere progettato per adattarsi allo scopo, anche se l'esatta costante del reticolo può essere molto diversa. Ad esempio, dopo aver impiantato ioni di nichel in un wafer di silicio, è possibile far crescere uno strato di siliciuro in cui l'orientamento del cristallo corrisponde a quello del silicio.

Applicazione finitura metallo

L'azoto o altri ioni possono essere impiantati in un bersaglio di acciaio per utensili (come un trapano). Il cambiamento strutturale induce una compressione superficiale nel materiale, che impedisce la propagazione della cricca e quindi lo rende più resistente alla frattura.

Finitura della superficie

In alcune applicazioni, ad esempio per protesi come le articolazioni artificiali, è auspicabile avere un target che sia altamente resistente alla corrosione chimica e all'usura dovuta all'attrito. L'impianto ionico viene utilizzato per progettare le superfici di tali dispositivi per prestazioni più affidabili. Come per gli acciai per utensili, la modifica del bersaglio causata dall'impianto di ioni include sia la compressione della superficie per prevenire la propagazione delle cricche sia la lega per renderla chimicamente più resistente alla corrosione.

Altroapplicazioni

L'impianto può essere utilizzato per ottenere la miscelazione di fasci ionici, ovvero la miscelazione di atomi di diversi elementi all'interfaccia. Questo può essere utile per ottenere superfici graduate o migliorare l'adesione tra strati di materiali immiscibili.

Formazione di nanoparticelle

L'impianto ionico può essere utilizzato per indurre materiali su scala nanometrica in ossidi come zaffiro e biossido di silicio. Gli atomi possono formarsi come risultato della precipitazione o della formazione di sostanze miste che contengono sia un elemento impiantato con ioni che un substrato.

Le energie tipiche del fascio ionico utilizzate per ottenere le nanoparticelle sono comprese tra 50 e 150 keV e la fluenza ionica è compresa tra 10-16 e 10-18 kV. vedi Un'ampia varietà di materiali può essere formata con dimensioni da 1 nm a 20 nm e con composizioni che possono contenere particelle impiantate, combinazioni che consistono esclusivamente in un catione legato al substrato.

I materiali dielettrici come lo zaffiro, che contengono nanoparticelle disperse di impiantazione di ioni metallici, sono materiali promettenti per l'optoelettronica e l'ottica non lineare.

Problemi

Ogni singolo ione produce molti difetti puntiformi nel cristallo bersaglio all'impatto o all'interstiziale. Le vacanze sono punti del reticolo non occupati da un atomo: in questo caso, lo ione entra in collisione con l'atomo bersaglio, il che porta al trasferimento di una notevole quantità di energia ad esso, in modo che lasci il suocomplotto. Questo oggetto bersaglio stesso diventa un proiettile in un corpo solido e può causare collisioni successive. Gli interstizi si verificano quando tali particelle si fermano in un solido ma non trovano spazio libero nel reticolo in cui vivere. Questi difetti puntuali durante l'impianto ionico possono migrare e raggrupparsi tra loro, portando alla formazione di anelli di dislocazione e altri problemi.

Amorfizzazione

La quantità di danno cristallografico può essere sufficiente a far passare completamente la superficie del bersaglio, cioè deve diventare un solido amorfo. In alcuni casi, l'amorfizzazione completa del bersaglio è preferibile a un cristallo con un alto grado di difettosità: un tale film può ricrescere a una temperatura inferiore a quella richiesta per la ricottura di un cristallo gravemente danneggiato. L'amorfizzazione del substrato può verificarsi a seguito di variazioni del raggio. Ad esempio, quando si impiantano ioni di ittrio nello zaffiro con un'energia del fascio di 150 keV fino a una fluenza di 510-16 Y+/sq. cm, si forma uno strato vitreo spesso circa 110 nm, misurato dalla superficie esterna.

Spruzzare

Alcuni degli eventi di collisione provocano l'espulsione di atomi dalla superficie, e quindi l'impianto di ioni inciderà lentamente via la superficie. L'effetto è evidente solo per dosi molto elevate.

Canale ionico

Se una struttura cristallografica viene applicata al target, specialmente in substrati semiconduttori dove è piùè aperto, quindi indicazioni specifiche si fermano molto meno di altre. Il risultato è che la gamma di uno ione può essere molto più ampia se si muove esattamente lungo un certo percorso, come nel silicio e in altri materiali cubici di diamante. Questo effetto è chiamato canalizzazione ionica e, come tutti gli effetti simili, è altamente non lineare, con piccole deviazioni dall'orientamento ideale che determinano differenze significative nella profondità di impianto. Per questo motivo, la maggior parte gira di alcuni gradi fuori asse, dove piccoli errori di allineamento avranno effetti più prevedibili.