Implante de iones: concepto, principio de funcionamiento, métodos, propósito y aplicación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

La implantación de iones es un proceso a baja temperatura mediante el cual los componentes de un solo elemento se aceleran en la superficie sólida de una oblea, cambiando así sus propiedades físicas, químicas o eléctricas. Este método se utiliza en la producción de dispositivos semiconductores y en el acabado de metales, así como en la investigación de la ciencia de los materiales. Los componentes pueden cambiar la composición elemental de la placa si se detienen y permanecen en ella. La implantación de iones también provoca cambios químicos y físicos cuando los átomos chocan con un objetivo a alta energía. La estructura cristalina de la placa puede dañarse o incluso destruirse por las cascadas de energía de las colisiones, y las partículas de energía suficientemente alta (10 MeV) pueden causar una transmutación nuclear.

Principio general de la implantación de iones

Los equipos generalmente consisten en una fuente donde se forman los átomos del elemento deseado, un acelerador donde son acelerados electrostáticamente a un altoenergía, y cámaras de destino donde chocan con el objetivo, que es el material. Por lo tanto, este proceso es un caso especial de radiación de partículas. Cada ion suele ser un solo átomo o molécula y, por lo tanto, la cantidad real de material implantado en el objetivo es la integral de tiempo de la corriente de iones. Este número se llama la dosis. Las corrientes suministradas por los implantes suelen ser pequeñas (microamperios) y, por lo tanto, la cantidad que se puede implantar en un tiempo razonable es pequeña. Por lo tanto, la implantación de iones se utiliza en los casos en que el número de cambios químicos necesarios es pequeño.

Las energías típicas de los iones oscilan entre 10 y 500 keV (entre 1600 y 80 000 aJ). La implantación de iones se puede usar a bajas energías en el rango de 1 a 10 keV (160 a 1600 aJ), pero la penetración es de solo unos pocos nanómetros o menos. El poder por debajo de esto da como resultado muy poco daño al objetivo y cae bajo la designación de deposición de haz de iones. Y también se pueden usar energías más altas: son comunes los aceleradores capaces de 5 MeV (800,000 aJ). Sin embargo, a menudo hay mucho daño estructural en el objetivo y debido a que la distribución de profundidad es amplia (pico de Bragg), el cambio neto en la composición en cualquier punto del objetivo será pequeño.

La energía de los iones, así como los diferentes tipos de átomos y la composición del objetivo, determinan la profundidad de penetración de las partículas en un sólido. Un haz de iones monoenergético generalmente tiene una amplia distribución de profundidad. La penetración promedio se llama rango. Aen condiciones típicas estará entre 10 nanómetros y 1 micrómetro. Por lo tanto, la implantación de iones de baja energía es particularmente útil en los casos en los que se desea que el cambio químico o estructural se produzca cerca de la superficie objetivo. Las partículas pierden gradualmente su energía a medida que pasan a través de un sólido, tanto por colisiones aleatorias con los átomos objetivo (que provocan transferencias de energía abruptas) como por una ligera desaceleración por la superposición de los orbitales electrónicos, que es un proceso continuo. La pérdida de energía de los iones en un objetivo se denomina estancamiento y se puede modelar utilizando el método de implantación de iones de la aproximación de colisión binaria.

Los sistemas aceleradores generalmente se clasifican en corriente media, corriente alta, energía alta y dosis muy significativa.

Todas las variedades de diseños de haces de implantación de iones contienen ciertos grupos comunes de componentes funcionales. Considere ejemplos. Los primeros fundamentos físicos y físico-químicos de la implantación de iones incluyen un dispositivo conocido como fuente para generar partículas. Este dispositivo está estrechamente asociado con electrodos polarizados para extraer átomos en la línea del haz y, con mayor frecuencia, con algunos medios para seleccionar modos específicos de transporte a la sección principal del acelerador. La selección de "masa" suele ir acompañada del paso del haz de iones extraído a través de una región de campo magnético con un camino de salida limitado por orificios de bloqueo o "ranuras" que permiten solo iones con un cierto valor del producto de masa y velocidad.. Si la superficie del objetivo es más grande que el diámetro del haz de iones ysi la dosis implantada se distribuye más uniformemente sobre él, entonces se utiliza una combinación de exploración del haz y movimiento de la placa. Finalmente, el objetivo se conecta a alguna forma de recolectar la carga acumulada de los iones implantados para que la dosis administrada se pueda medir continuamente y el proceso se detenga en el nivel deseado.

Aplicación en la fabricación de semiconductores

El dopaje con boro, fósforo o arsénico es una aplicación común de este proceso. En la implantación de iones de semiconductores, cada átomo dopante puede crear un portador de carga después del recocido. Puedes construir un agujero para un dopante de tipo p y un electrón de tipo n. Esto cambia la conductividad del semiconductor en su vecindad. La técnica se utiliza, por ejemplo, para ajustar el umbral de un MOSFET.

La implantación de iones se desarrolló como un método para obtener una unión pn en dispositivos fotovoltaicos a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, junto con el uso de un haz de electrones pulsados para un recocido rápido, aunque hasta la fecha no se ha comercializado.

Silicio sobre aislante

Uno de los métodos más conocidos para producir este material sobre sustratos aislantes (SOI) a partir de sustratos de silicio convencionales es el proceso SIMOX (separación por implantación de oxígeno), en el que una dosis alta de aire se convierte en óxido de silicio a través de un proceso de recocido a alta temperatura.

Mesotaxia

Este es el término para el crecimiento cristalográficofase coincidente bajo la superficie del cristal principal. En este proceso, los iones se implantan a una energía suficientemente alta y se dosifican en el material para crear una capa de segunda fase, y la temperatura se controla para que la estructura objetivo no se destruya. La orientación del cristal de la capa se puede diseñar para adaptarse al propósito, incluso si la constante de red exacta puede ser muy diferente. Por ejemplo, después de implantar iones de níquel en una oblea de silicio, se puede hacer crecer una capa de siliciuro en la que la orientación del cristal coincida con la del silicio.

Aplicación de acabado metálico

Se puede implantar nitrógeno u otros iones en un objetivo de acero para herramientas (como un taladro). El cambio estructural induce una compresión superficial en el material, lo que evita la propagación de grietas y, por lo tanto, lo hace más resistente a la fractura.

Acabado superficial

En algunas aplicaciones, por ejemplo para prótesis como articulaciones artificiales, es deseable tener un objetivo que sea altamente resistente tanto a la corrosión química como al desgaste por fricción. La implantación de iones se utiliza para diseñar las superficies de dichos dispositivos para un rendimiento más fiable. Al igual que con los aceros para herramientas, la modificación del objetivo provocada por la implantación de iones incluye tanto la compresión de la superficie para evitar la propagación de grietas como la aleación para hacerla más resistente químicamente a la corrosión.

Otroaplicaciones

La implantación se puede utilizar para lograr la mezcla de haces de iones, es decir, la combinación de átomos de diferentes elementos en la interfaz. Esto puede ser útil para lograr superficies graduadas o mejorar la adhesión entre capas de materiales inmiscibles.

Formación de nanopartículas

La implantación de iones se puede utilizar para inducir materiales a nanoescala en óxidos como el zafiro y el dióxido de silicio. Los átomos se pueden formar como resultado de la precipitación o de la formación de sustancias mixtas que contienen un elemento implantado con iones y un sustrato.

Las energías típicas del haz de iones utilizadas para obtener nanopartículas están en el rango de 50 a 150 keV, y la fluencia de iones es de 10-16 a 10-18 kV. ver Se puede formar una amplia variedad de materiales con tamaños de 1 nm a 20 nm y con composiciones que pueden contener partículas implantadas, combinaciones que consisten únicamente en un catión unido al sustrato.

Los materiales basados en dieléctricos como el zafiro, que contienen nanopartículas dispersas de implantación de iones metálicos, son materiales prometedores para la optoelectrónica y la óptica no lineal.

Problemas

Cada ion individual produce muchos defectos puntuales en el cristal objetivo tras el impacto o intersticial. Las vacantes son puntos de la red que no están ocupados por un átomo: en este caso, el ion choca con el átomo objetivo, lo que conduce a la transferencia de una cantidad significativa de energía hacia él, de modo que deja sugráfico. Este objeto objetivo en sí mismo se convierte en un proyectil en un cuerpo sólido y puede causar colisiones sucesivas. Los intersticios ocurren cuando dichas partículas se detienen en un sólido pero no encuentran espacio libre en la red para vivir. Estos defectos puntuales durante la implantación de iones pueden migrar y agruparse entre sí, lo que lleva a la formación de bucles de dislocación y otros problemas.

Amorfización

La cantidad de daño cristalográfico puede ser suficiente para hacer una transición completa de la superficie objetivo, es decir, debe convertirse en un sólido amorfo. En algunos casos, la amorfización completa del objetivo es preferible a un cristal con un alto grado de defectos: dicha película puede volver a crecer a una temperatura más baja que la requerida para recocer un cristal severamente dañado. La amorfización del sustrato puede ocurrir como resultado de cambios en el haz. Por ejemplo, al implantar iones de itrio en zafiro con una energía de haz de 150 keV hasta una fluencia de 510-16 Y+/sq. cm, se forma una capa vítrea de aproximadamente 110 nm de espesor, medida desde la superficie exterior.

Rociar

Algunos de los eventos de colisión hacen que los átomos sean expulsados de la superficie y, por lo tanto, la implantación de iones erosionará lentamente la superficie. El efecto es perceptible solo para dosis muy grandes.

Canal iónico

Si se aplica una estructura cristalográfica al objetivo, especialmente en sustratos semiconductores donde es másestá abierto, entonces las direcciones específicas se detienen mucho menos que otras. El resultado es que el rango de un ion puede ser mucho mayor si se mueve exactamente a lo largo de un camino determinado, como en el silicio y otros materiales cúbicos de diamante. Este efecto se llama canalización de iones y, como todos los efectos similares, es altamente no lineal, con pequeñas desviaciones de la orientación ideal que resultan en diferencias significativas en la profundidad de implantación. Por esta razón, la mayoría funciona unos pocos grados fuera del eje, donde pequeños errores de alineación tendrán efectos más predecibles.