کاشت یون: مفهوم، اصل عملیات، روش‌ها، هدف و کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

کاشت یون فرآیندی در دمای پایین است که توسط آن اجزای یک عنصر منفرد به سطح جامد یک ویفر شتاب داده می شود و در نتیجه خواص فیزیکی، شیمیایی یا الکتریکی آن تغییر می کند. این روش در تولید دستگاه های نیمه هادی و در تکمیل فلزات و همچنین در تحقیقات علم مواد استفاده می شود. اگر اجزای صفحه متوقف شوند و در آن باقی بمانند، می توانند ترکیب عنصری صفحه را تغییر دهند. کاشت یون همچنین باعث ایجاد تغییرات شیمیایی و فیزیکی در هنگام برخورد اتم ها با هدف با انرژی بالا می شود. ساختار کریستالی صفحه ممکن است در اثر برخوردهای آبشار انرژی آسیب ببیند یا حتی از بین برود، و ذرات با انرژی به اندازه کافی بالا (10 مگا ولت) می توانند باعث تغییر شکل هسته ای شوند.

اصل کلی کاشت یون

تجهیزات معمولاً از منبعی تشکیل می‌شوند که اتم‌های عنصر مورد نظر در آنجا تشکیل می‌شوند، شتاب‌دهنده‌ای که در آن شتاب الکترواستاتیکی تا حد بالایی افزایش می‌یابد.انرژی و محفظه های هدف که در آن با هدف، که ماده است، برخورد می کنند. بنابراین، این فرآیند یک مورد خاص از تابش ذرات است. هر یون معمولاً یک اتم یا مولکول واحد است و بنابراین مقدار واقعی ماده کاشته شده در هدف، انتگرال زمانی جریان یون است. به این عدد دوز می گویند. جریان های تامین شده توسط ایمپلنت ها معمولاً کم است (میکرو آمپر) و بنابراین مقداری که می توان در مدت زمان معقولی کاشت کرد کم است. بنابراین در مواردی که تعداد تغییرات شیمیایی مورد نیاز کم باشد از کاشت یون استفاده می شود.

انرژی های یونی معمولی بین 10 تا 500 کو (1600 تا 80000 aJ) است. کاشت یون را می توان در انرژی های کم در محدوده 1 تا 10 کو (160 تا 1600 aJ) استفاده کرد، اما نفوذ آن تنها چند نانومتر یا کمتر است. قدرت کمتر از این منجر به آسیب بسیار کمی به هدف می شود و تحت عنوان رسوب پرتو یونی قرار می گیرد. همچنین می توان از انرژی های بالاتر نیز استفاده کرد: شتاب دهنده هایی با توان 5 مگا ولت (800000 aJ) رایج هستند. با این حال، اغلب آسیب ساختاری زیادی به هدف وارد می‌شود و از آنجایی که توزیع عمق گسترده است (قله براگ)، تغییر خالص در ترکیب در هر نقطه از هدف کم خواهد بود.

انرژی یون ها و همچنین انواع مختلف اتم ها و ترکیب هدف تعیین کننده عمق نفوذ ذرات به یک جامد است. یک پرتو یون تک انرژی معمولاً دارای یک توزیع عمق گسترده است. میانگین نفوذ محدوده نامیده می شود. ATدر شرایط معمولی بین 10 نانومتر تا 1 میکرومتر خواهد بود. بنابراین، کاشت یون کم انرژی به ویژه در مواردی که مایل است تغییرات شیمیایی یا ساختاری نزدیک سطح هدف باشد، مفید است. ذرات با عبور از یک جامد انرژی خود را به تدریج از دست می دهند، هم در اثر برخوردهای تصادفی با اتم های هدف (که باعث انتقال ناگهانی انرژی می شود) و هم به دلیل کاهش اندک از همپوشانی اوربیتال های الکترونی که یک فرآیند پیوسته است. اتلاف انرژی یون‌ها در یک هدف، توقف نامیده می‌شود و می‌توان آن را با استفاده از روش کاشت یونی از تقریب برخورد دوتایی مدل‌سازی کرد.

سیستم های شتاب دهنده به طور کلی به جریان متوسط، جریان بالا، انرژی بالا و دوز بسیار قابل توجه طبقه بندی می شوند.

همه انواع طرح های پرتو کاشت یونی حاوی گروه های مشترک خاصی از اجزای عملکردی هستند. نمونه هایی را در نظر بگیرید. اولین پایه های فیزیکی و فیزیکی و شیمیایی کاشت یون شامل دستگاهی است که به عنوان منبعی برای تولید ذرات شناخته می شود. این دستگاه ارتباط نزدیکی با الکترودهای بایاس برای استخراج اتم‌ها در خط پرتو و اغلب با ابزارهایی برای انتخاب حالت‌های خاص برای انتقال به بخش اصلی شتاب‌دهنده دارد. انتخاب "جرم" اغلب با عبور پرتو یونی استخراج شده از ناحیه ای از میدان مغناطیسی با مسیر خروجی محدود شده توسط سوراخ ها یا "شکاف ها" همراه است که فقط یون هایی با مقدار معینی از حاصل ضرب جرم و سرعت را مجاز می کند.. اگر سطح هدف بزرگتر از قطر پرتو یونی باشد واگر دوز کاشته شده به طور مساوی روی آن توزیع شود، ترکیبی از اسکن پرتو و حرکت صفحه استفاده می شود. در نهایت، هدف به روشی برای جمع آوری بار انباشته یون های کاشته شده متصل می شود تا بتوان دوز تحویلی را به طور مداوم اندازه گیری کرد و فرآیند را در سطح مورد نظر متوقف کرد.

کاربرد در ساخت نیمه هادی

دوپینگ با بور، فسفر یا آرسنیک کاربرد رایج این فرآیند است. در کاشت یونی نیمه هادی ها، هر اتم ناخالص می تواند یک حامل بار پس از بازپخت ایجاد کند. شما می توانید یک سوراخ برای یک ناخالصی نوع p و یک الکترون نوع n ایجاد کنید. این باعث تغییر رسانایی نیمه هادی در مجاورت آن می شود. این تکنیک، به عنوان مثال، برای تنظیم آستانه یک ماسفت استفاده می شود.

کاشت یون به عنوان روشی برای به دست آوردن اتصال pn در دستگاه های فتوولتائیک در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980، همراه با استفاده از پرتو الکترونی پالسی برای بازپخت سریع، توسعه یافت، اگرچه تا به امروز تجاری نشده است.

سیلیکون روی عایق

یکی از روش های شناخته شده برای تولید این ماده بر روی بسترهای عایق (SOI) از بسترهای سیلیکونی معمولی، فرآیند SIMOX (جداسازی با کاشت اکسیژن) است که در آن هوای با دوز بالا از طریق یک سیلیکون اکسید به اکسید سیلیکون تبدیل می شود. فرآیند بازپخت در دمای بالا.

Mesotaxy

این اصطلاح برای رشد از نظر کریستالوگرافی استفاز همزمان در زیر سطح کریستال اصلی. در این فرآیند، یون‌ها با انرژی و دوز کافی در ماده کاشته می‌شوند تا لایه فاز دوم ایجاد شود و دما کنترل می‌شود تا ساختار هدف از بین نرود. جهت گیری کریستالی لایه را می توان مطابق با هدف طراحی کرد، حتی اگر ثابت شبکه دقیق بسیار متفاوت باشد. برای مثال، پس از کاشت یون‌های نیکل در یک ویفر سیلیکونی، می‌توان لایه‌ای از سیلیسید را رشد داد که جهت کریستالی آن با سیلیکون مطابقت دارد.

کاربرد پایان فلز

نیتروژن یا یون های دیگر را می توان در یک هدف فولادی ابزار (مانند مته) کاشت. تغییر ساختاری باعث ایجاد فشرده‌سازی سطحی در ماده می‌شود که از انتشار ترک جلوگیری می‌کند و در نتیجه آن را در برابر شکست مقاوم‌تر می‌کند.

تمرین سطح

در برخی از کاربردها، به عنوان مثال برای پروتزها مانند مفاصل مصنوعی، مطلوب است که هدفی داشته باشیم که هم در برابر خوردگی شیمیایی و هم در برابر سایش ناشی از اصطکاک بسیار مقاوم باشد. کاشت یون برای طراحی سطوح چنین دستگاه هایی برای عملکرد مطمئن تر استفاده می شود. مانند فولادهای ابزار، اصلاح هدف ناشی از کاشت یون شامل فشرده‌سازی سطحی برای جلوگیری از انتشار ترک و آلیاژسازی برای مقاوم‌تر کردن آن از نظر شیمیایی در برابر خوردگی است.

سایربرنامه های کاربردی

کاشت می تواند برای دستیابی به اختلاط پرتوهای یونی، یعنی ترکیب اتم های عناصر مختلف در سطح مشترک استفاده شود. این می تواند برای دستیابی به سطوح مدرج یا افزایش چسبندگی بین لایه های مواد غیر قابل اختلاط مفید باشد.

تشکیل نانوذرات

کاشت یون می تواند برای القای مواد در مقیاس نانو در اکسیدهایی مانند یاقوت کبود و دی اکسید سیلیکون استفاده شود. اتم‌ها می‌توانند در نتیجه بارش یا تشکیل مواد مخلوطی تشکیل شوند که هم یک عنصر کاشته‌شده با یون و هم یک بستر دارند.

انرژی پرتوهای یونی معمولی که برای به دست آوردن نانوذرات استفاده می شود در محدوده 50 تا 150 کو و شار یونی از 10-16 تا 10-18 کیلو ولت است. طیف گسترده ای از مواد را می توان با اندازه های 1 نانومتر تا 20 نانومتر و با ترکیباتی که می تواند حاوی ذرات کاشته شده تشکیل شود، ترکیباتی که صرفاً از یک کاتیون متصل به بستر تشکیل شده است.

مواد مبتنی بر دی الکتریک مانند یاقوت کبود، که حاوی نانوذرات پراکنده کاشت یون های فلزی هستند، مواد امیدوارکننده ای برای اپتوالکترونیک و اپتیک غیرخطی هستند.

مشکلات

هر یون منفرد در هنگام ضربه یا بینابینی نقص نقطه ای زیادی در کریستال هدف ایجاد می کند. جاهای خالی نقاط شبکه ای هستند که توسط یک اتم اشغال نمی شود: در این حالت، یون با اتم هدف برخورد می کند که منجر به انتقال مقدار قابل توجهی انرژی به آن می شود، به طوری که از خود خارج می شود.طرح. این جسم هدف خود به یک پرتابه در یک جسم جامد تبدیل می شود و می تواند باعث برخوردهای متوالی شود. فاصله زمانی رخ می دهد که چنین ذرات در یک جامد متوقف شوند اما فضای خالی در شبکه پیدا نکنند تا در آن زندگی کنند. این نقص‌های نقطه‌ای در طول کاشت یون می‌توانند مهاجرت کرده و با یکدیگر خوشه شوند و منجر به تشکیل حلقه‌های دررفتگی و سایر مشکلات شود.

Amorphization

میزان آسیب کریستالوگرافی ممکن است برای انتقال کامل سطح هدف کافی باشد، یعنی باید به یک جامد آمورف تبدیل شود. در برخی موارد، آمورفیزاسیون کامل هدف به کریستالی با درجه نقص بالا ترجیح داده می‌شود: چنین لایه‌ای می‌تواند در دمای پایین‌تر از آنچه برای بازپخت یک کریستال به شدت آسیب دیده لازم است، دوباره رشد کند. آمورفیزاسیون بستر می تواند در نتیجه تغییرات پرتو رخ دهد. به عنوان مثال، هنگام کاشت یون های ایتریم در یاقوت کبود با انرژی پرتوی 150 کو تا شار 510-16 Y+/sq. سانتی متر، یک لایه زجاجیه با ضخامت تقریباً 110 نانومتر تشکیل می شود که از سطح بیرونی اندازه گیری می شود.

اسپری

برخی از رویدادهای برخورد باعث خارج شدن اتم ها از سطح می شوند و بنابراین کاشت یون به آرامی سطح را حک می کند. این اثر فقط برای دوزهای بسیار زیاد قابل توجه است.

کانال یون

اگر ساختار کریستالوگرافی روی هدف اعمال شود، به ویژه در بسترهای نیمه هادی که در آن بیشتر است.باز است، سپس مسیرهای خاص بسیار کمتر از سایرین متوقف می شوند. نتیجه این است که اگر یون دقیقاً در امتداد یک مسیر خاص حرکت کند، مانند سیلیکون و سایر مواد مکعبی الماس، دامنه می تواند بسیار بزرگتر باشد. این اثر کانال یونی نامیده می شود و مانند همه اثرات مشابه، بسیار غیر خطی است، با انحرافات کوچک از جهت ایده آل و در نتیجه تفاوت های قابل توجهی در عمق کاشت. به همین دلیل، اکثر اجراها چند درجه خارج از محور اجرا می شوند، جایی که خطاهای تراز کوچک اثرات قابل پیش بینی بیشتری خواهند داشت.