Implantación de iones

Material and chemical process used to change the properties of a target

Un sistema de implantación de iones en las instalaciones tecnológicas de LAAS en Toulouse, Francia.

La implantación de iones es un proceso a baja temperatura mediante el cual los iones de un elemento se aceleran a un objetivo sólido, cambiando así las propiedades físicas, químicas o eléctricas del objetivo. La implantación de iones se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el acabado de metales, así como en la investigación de la ciencia de los materiales . Los iones pueden alterar la composición elemental del objetivo (si los iones difieren en composición del objetivo) si se detienen y permanecen en el objetivo. La implantación de iones también causa cambios químicos y físicos cuando los iones inciden en el objetivo a alta energía. La estructura cristalina del objetivo puede resultar dañada o incluso destruida por las enérgicas cascadas de colisión., y los iones de energía suficientemente alta (10s de MeV) pueden causar transmutación nuclear .

Principio general

Configuración de implantación de iones con separador de masas

El equipo de implantación de iones generalmente consta de una fuente de iones , donde se producen iones del elemento deseado, un acelerador , donde los iones se aceleran electrostáticamente a una energía alta, y una cámara objetivo, donde los iones inciden en un objetivo, que es el material. para ser implantado. Por lo tanto, la implantación de iones es un caso especial de radiación de partículas.. Cada ion es típicamente un solo átomo o molécula y, por lo tanto, la cantidad real de material implantado en el objetivo es la integral en el tiempo de la corriente de iones. Esta cantidad se llama dosis. Las corrientes suministradas por los implantes son típicamente pequeñas (microamperios) y, por tanto, la dosis que puede implantarse en un período de tiempo razonable es pequeña. Por lo tanto, la implantación de iones encuentra aplicación en casos donde la cantidad de cambio químico requerido es pequeña.

Las energías iónicas típicas están en el rango de 10 a 500 keV (1,600 a 80,000 aJ). Se pueden usar energías en el rango de 1 a 10 keV (160 a 1,600 aJ), pero dan como resultado una penetración de solo unos pocos nanómetros o menos. Las energías más bajas que esto dan como resultado muy poco daño al objetivo y caen bajo la designación de deposición de haz de iones . También se pueden utilizar energías más altas: son habituales los aceleradores capaces de 5 MeV (800.000 aJ). Sin embargo, a menudo hay un gran daño estructural en el objetivo y, debido a que la distribución de profundidad es amplia ( pico de Bragg ), el cambio de composición neta en cualquier punto del objetivo será pequeño.

La energía de los iones, así como las especies de iones y la composición del objetivo determinan la profundidad de penetración de los iones en el sólido: un haz de iones monoenergéticos generalmente tendrá una distribución de profundidad amplia. La profundidad de penetración promedio se llama rango de iones. En circunstancias típicas, los rangos de iones estarán entre 10 nanómetros y 1 micrómetro. Por tanto, la implantación de iones es especialmente útil en los casos en los que se desea que el cambio químico o estructural esté cerca de la superficie del objetivo. Los iones pierden gradualmente su energía a medida que viajan a través del sólido, tanto por colisiones ocasionales con los átomos objetivo (que causan transferencias de energía abruptas) como por un arrastre leve debido a la superposición de orbitales de electrones, que es un proceso continuo. La pérdida de energía iónica en el objetivo se llama detenery se puede simular con el método de aproximación de colisión binaria .

Los sistemas aceleradores para la implantación de iones se clasifican generalmente en corriente media (corrientes de haz de iones entre 10 μA y ~ 2 mA), alta corriente (corrientes de haz de iones hasta ~ 30 mA), alta energía (energías de iones por encima de 200 keV y hasta 10 MeV ), y dosis muy alta (implante eficaz de dosis superior a 10 ¹⁶ iones / cm ² ). ^{[ cita requerida ]}

Todas las variedades de diseños de líneas de luz de implantación de iones contienen ciertos grupos generales de componentes funcionales (ver imagen). El primer segmento importante de una línea de luz de iones incluye un dispositivo conocido como fuente de iones para generar las especies de iones. La fuente está estrechamente acoplada a electrodos polarizados para la extracción de los iones en la línea de luz y, más a menudo, a algún medio para seleccionar una especie de ión particular para su 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 una ruta de salida restringida por las aberturas de bloqueo, o "rendijas", que solo permiten iones con un valor específico del producto de la masa y la velocidad / cargar para continuar por la línea de luz.Si la superficie del objetivo es mayor que el diámetro del haz de iones y se desea una distribución uniforme de la dosis implantada sobre la superficie del objetivo, entonces se usa alguna combinación de barrido de haz y movimiento de oblea. Finalmente, la superficie implantada se acopla con algún método para recolectar la carga acumulada de los iones implantados de modo que la dosis administrada pueda medirse de manera continua y el proceso de implantación se detenga al nivel de dosis deseado.^[1]

Aplicación en la fabricación de dispositivos semiconductores

Dopaje

El dopaje de semiconductores con boro, fósforo o arsénico es una aplicación común de la implantación de iones. Cuando se implanta en un semiconductor, cada átomo dopante puede crear un portador de carga en el semiconductor después del recocido . Se puede crear un agujero para un dopante de tipo p y un electrón para un dopante de tipo n . Esto modifica 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 producir la unión pn de dispositivos fotovoltaicos a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, ^[2] junto con el uso de haz de electrones pulsados ​​para el recocido rápido, ^[3] aunque hasta la fecha no se ha utilizado para producción comercial.

Silicio en aislante

Un método destacado para preparar silicio sobre sustratos aislantes (SOI) a partir de sustratos de silicio convencionales es el proceso SIMOX (separación por implantación de oxígeno), en el que un implante de oxígeno de alta dosis enterrado se convierte en óxido de silicio mediante un proceso de recocido a alta temperatura .

Mesotaxia

Mesotaxia es el término para el crecimiento de una fase de coincidencia cristalográfica debajo de la superficie del cristal huésped (compárese con la epitaxia , que es el crecimiento de la fase de coincidencia en la superficie de un sustrato). En este proceso, los iones se implantan a una energía y dosificación suficientemente altas en un material para crear una capa de una segunda fase, y la temperatura se controla para que la estructura cristalina del objetivo no se destruya. La orientación del cristal de la capa se puede diseñar para que coincida con la del objetivo, aunque la estructura cristalina exacta y la constante de red pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, después de la implantación de iones de níquel en una oblea de silicio, se puede hacer crecer una capa de siliciuro de níquel en la que la orientación cristalina del siliciuro coincide con la del silicio.

Aplicación en acabado de metales

Endurecimiento de acero para herramientas

El nitrógeno u otros iones se pueden implantar en un objetivo de acero para herramientas (brocas, por ejemplo). El cambio estructural provocado por la implantación produce una compresión superficial en el acero, lo que evita la propagación de grietas y hace que el material sea más resistente a la fractura. El cambio químico también puede hacer que la herramienta sea más resistente a la corrosión.

Acabado de superficies

En algunas aplicaciones, por ejemplo en dispositivos protésicos como articulaciones artificiales, se desea tener superficies muy resistentes tanto a la corrosión química como al desgaste debido a la fricción. La implantación de iones se utiliza en tales casos para diseñar las superficies de dichos dispositivos para un rendimiento más confiable. Como en el caso de los aceros para herramientas, la modificación de la superficie provocada por la implantación de iones incluye tanto una compresión de la superficie que evita la propagación de grietas como una aleación de la superficie para hacerla más resistente químicamente a la corrosión.

Otras aplicaciones

Mezcla de haz de iones

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

Formación de nanopartículas inducida por la implantación de iones

La implantación de iones se puede utilizar para inducir partículas nanodimensionales en óxidos como el zafiro y la sílice . Las partículas pueden formarse como resultado de la precipitación de las especies implantadas con iones, pueden formarse como resultado de la producción de una especie de óxido mixto que contiene tanto el elemento implantado con iones como el sustrato de óxido, y pueden formarse como como resultado de una reducción del sustrato, informada por primera vez por Hunt y Hampikian. ^{[4] [5] [6]} Las energías típicas del haz de iones que se utilizan para producir nanopartículas oscilan entre 50 y 150 keV, con fluencias de iones que oscilan entre 10 ¹⁶ y 10 ¹⁸ iones / cm ² . ^{[7] [8] [9] [10][11] [12] [13] [14] [15]} La siguiente tabla resume algunos de los trabajos que se han realizado en este campo para un sustrato de zafiro. Se puede formar una amplia variedad de nanopartículas, con rangos de tamaño desde 1 nm hasta 20 nm y con composiciones que pueden contener las especies implantadas, combinaciones del ión implantado y sustrato, o que están compuestas únicamente por el catión asociado con el sustrato. .

Los materiales compuestos basados ​​en dieléctricos como el zafiro que contienen nanopartículas metálicas dispersas son materiales prometedores para la optoelectrónica y la óptica no lineal . ^[11]

	Especies implantadas	Sustrato	Energía del haz de iones (keV)	Fluencia (iones / cm 2 )	Tratamiento térmico posterior a la implantación	Resultado	Fuente
Produces Oxides that Contain the Implanted Ion	Co	Al2O3	65	5*1017	Annealing at 1400 °C	Forms Al2CoO4 spinel	[7]
	Co	α-Al2O3	150	2*1017	Annealing at 1000 °C in oxidizing ambient	Forms Al2CoO4 spinel	[8]
	Mg	Al2O3	150	5*1016	---	Forms MgAl2O4 platelets	[4]
	Sn	α-Al2O3	60	1*1017	Annealing in O2 atmosphere at 1000 °C for 1 hr	30 nm SnO2 nanoparticles form	[15]
	Zn	α-Al2O3	48	1*1017	Annealing in O2 atmosphere at 600 °C	ZnO nanoparticles form	[9]
	Zr	Al2O3	65	5*1017	Annealing at 1400 °C	ZrO2 precipitates form	[7]
Produces Metallic Nanoparticles from Implanted Species	Ag	α-Al2O3	1500, 2000	2*1016, 8*1016	Annealing from 600 °C to 1100 °C in oxidizing, reducing, Ar or N2 atmospheres	Ag nanoparticles in Al2O3 matrix	[10]
	Au	α-Al2O3	160	0.6*1017, 1*1016	1 hr at 800 °C in air	Au nanoparticles in Al2O3 matrix	[11]
	Au	α-Al2O3	1500, 2000	2*1016, 8*1016	Annealing from 600 °C to 1100 °C in oxidizing, reducing, Ar or N2 atmospheres	Au nanoparticles in Al2O3 matrix	[10]
	Co	α-Al2O3	150	<5*1016	Annealing at 1000 °C	Co nanoparticles in Al2O3 matrix	[8]
	Co	α-Al2O3	150	2*1017	Annealing at 1000 °C in reducing ambient	Precipitation of metallic Co	[8]
	Fe	α-Al2O3	160	1*1016 to 2*1017	Annealing for 1 hr from 700 °C to 1500 °C in reducing ambient	Fe nanocomposites	[12]
	Ni	α-Al2O3	64	1*1017	---	1-5 nm Ni nanoparticles	[13]
	Si	α-Al2O3	50	2*1016, 8*1016	Annealing at 500 °C or 1000 °C for 30 min	Si nanoparticles in Al2O3	[14]
	Sn	α-Al2O3	60	1*1017	---	15 nm tetragonal Sn nanoparticles	[15]
	Ti	α-Al2O3	100	<5*1016	Annealing at 1000 °C	Ti nanoparticles in Al2O3	[8]
Produces Metallic Nanoparticles from Substrate	Ca	Al2O3	150	5*1016	---	Al nanoparticles in amorphous matrix containing Al2O3 and CaO	[4]
	Y	Al2O3	150	5*1016	---	10.7± 1.8 nm Al particles in amorphous matrix containing Al2O3 and Y2O3	[4]
	Y	Al2O3	150	2.5*1016	---	9.0± 1.2 nm Al particles in amorphous matrix containing Al2O3 and Y2O3	[5]

Problems with ion implantation

Crystallographic damage

Each individual ion produces many point defects in the target crystal on impact such as vacancies and interstitials. Vacancies are crystal lattice points unoccupied by an atom: in this case the ion collides with a target atom, resulting in transfer of a significant amount of energy to the target atom such that it leaves its crystal site. This target atom then itself becomes a projectile in the solid, and can cause successive collision events. Interstitials result when such atoms (or the original ion itself) come to rest in the solid, but find no vacant space in the lattice to reside. These point defects can migrate and cluster with each other, resulting in dislocation loops and other defects.

Damage recovery

Because ion implantation causes damage to the crystal structure of the target which is often unwanted, ion implantation processing is often followed by a thermal annealing. This can be referred to as damage recovery.

Amorphization

The amount of crystallographic damage can be enough to completely amorphize the surface of the target: i.e. it can become an amorphous solid (such a solid produced from a melt is called a glass). In some cases, complete amorphization of a target is preferable to a highly defective crystal: An amorphized film can be regrown at a lower temperature than required to anneal a highly damaged crystal. Amorphisation of the substrate can occur as a result of the beam damage. For example, yttrium ion implantation into sapphire at an ion beam energy of 150 keV to a fluence of 5*10¹⁶ Y⁺/cm² produces an amorphous glassy layer approximately 110 nm in thickness, measured from the outer surface. [Hunt, 1999]

Sputtering

Some of the collision events result in atoms being ejected (sputtered) from the surface, and thus ion implantation will slowly etch away a surface. The effect is only appreciable for very large doses.

Ion channelling

A diamond cubic crystal viewed from the <110> direction, showing hexagonal ion channels.

If there is a crystallographic structure to the target, and especially in semiconductor substrates where the crystal structure is more open, particular crystallographic directions offer much lower stopping than other directions. The result is that the range of an ion can be much longer if the ion travels exactly along a particular direction, for example the <110> direction in silicon and other diamond cubic materials.^[16] This effect is called ion channelling, and, like all the channelling effects, is highly nonlinear, with small variations from perfect orientation resulting in extreme differences in implantation depth. For this reason, most implantation is carried out a few degrees off-axis, where tiny alignment errors will have more predictable effects.

Ion channelling can be used directly in Rutherford backscattering and related techniques as an analytical method to determine the amount and depth profile of damage in crystalline thin film materials.

Safety

Hazardous materials

In fabricating wafers, toxic materials such as arsine and phosphine are often used in the ion implanter process. Other common carcinogenic, corrosive, flammable, or toxic elements include antimony, arsenic, phosphorus, and boron. Semiconductor fabrication facilities are highly automated, but residue of hazardous elements in machines can be encountered during servicing and in vacuum pump hardware.

High voltages and particle accelerators

High voltage power supplies used in ion accelerators necessary for ion implantation can pose a risk of electrical injury. In addition, high-energy atomic collisions can generate X-rays and, in some cases, other ionizing radiation and radionuclides. In addition to high voltage, particle accelerators such as radio frequency linear particle accelerators and laser wakefield plasma accelerators present other hazards.

See also

• Stopping and Range of Ions in Matter

References

1. Hamm, Robert W.; Hamm, Marianne E. (2012). Industrial Accelerators and Their Applications. World Scientific. ISBN 978-981-4307-04-8.
2. A. J. Armini, S. N. Bunker and M. B. Spitzer, "Non-mass-analyzed Ion Implantation Equipment for high Volume Solar Cell Production," Proc. 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 27-30 Sep 1982, San Diego California, pp. 895-899.
3. G. Landis et al., "Apparatus and Technique for Pulsed Electron Beam Annealing for Solar Cell Production," Proc. 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Orlando FL; 976-980 (1981).
4. Hunt, Eden; Hampikian, Janet (1999). "Ion implantation-induced nanoscale particle formation in Al2O3 and SiO2 via reduction". Acta Materialia. 47 (5): 1497–1511. doi:10.1016/S1359-6454(99)00028-2.
5. Hunt, Eden; Hampikian, Janet (April 2001). "Implantation parameters affecting aluminum nano-particle formation in alumina". Journal of Materials Science. 36 (8): 1963–1973. doi:10.1023/A:1017562311310. S2CID 134817579.
6. Hunt, Eden; Hampikian, Janet. "Method for ion implantation induced embedded particle formation via reduction". uspto.gov. USPTO. Retrieved 4 August 2017.
7. Werner, Z.; Pisarek, M.; Barlak, M.; Ratajczak, R.; Starosta, W.; Piekoszewski, J.; Szymczyk, W.; Grotzschel, R. (2009). "Chemical effects in Zr- and Co-implanted sapphire". Vacuum. 83: S57–S60. doi:10.1016/j.vacuum.2009.01.022.
8. Alves, E.; Marques, C.; da Silva, R.C.; Monteiro, T.; Soares, J.; McHargue, C.; Ononye, L.C.; Allard, L.F (2003). "Structural and optical studies of Co and Ti implanted sapphire". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 207 (1): 55–62. doi:10.1016/S0168-583X(03)00522-6.
9. Xiang, X.; Zu, X. T.; Zhu, S.; Wei, Q. M.; Zhang, C. F; Sun, K; Wang, L. M. (2006). "ZnO nanoparticles embedded in sapphire fabricated by ion implantation and annealing" (PDF). Nanotechnology. 17 (10): 2636–2640. doi:10.1088/0957-4484/17/10/032. hdl:2027.42/49223. PMID 21727517.
10. Mota-Santiago, Pablo-Ernesto; Crespo-Sosa, Alejandro; Jimenez-Hernandez, Jose-Luis; Silva-Pereyra, Hector-Gabriel; Reyes-Esqueda, Jorge-Alejandro; Oliver, Alicia (2012). "Size characterisation of noble-metal nano-crystals formed in sapphire by ion irradiation and subsequent thermal annealing". Applied Surface Science. 259: 574–581. doi:10.1016/j.apsusc.2012.06.114.
11. Stepanov, A. L.; Marques, C.; Alves, E.; da Silva, R. C.; Silva, M. R.; Ganeev, R. A.; Ryasnyansky, A. I.; Usmanov, T. (2005). "Nonlinear optical properties of gold nanoparticles synthesized by ion implantation in sapphire matrix". Technical Physics Letters. 31 (8): 702–705. doi:10.1134/1.2035371. S2CID 123688388.
12. McHargue, C.J.; Ren, S.X.; Hunn, J.D (1998). "Nanometer-size dispersions of iron in sapphire prepared by ion implantation and annealing". Materials Science and Engineering: A. 253 (1): 1–7. doi:10.1016/S0921-5093(98)00722-9.
13. Xiang, X.; Zu, X. T.; Zhu, S.; Wang, L. M. (2004). "Optical properties of metallic nanoparticles in Ni-ion-implanted α-Al2O3 single crystals". Applied Physics Letters. 84: 52–54. doi:10.1063/1.1636817.
14. Sharma, S. K.; Pujari, P. K. (2017). "Embedded Si nanoclusters in α-alumina synthesized by ion implantation: An investigation using depth dependent Doppler broadening spectroscopy". Journal of Alloys and Compounds. 715: 247–253. doi:10.1016/j.jallcom.2017.04.285.
15. Xiang, X; Zu, X. T.; Zhu, S.; Wang, L. M.; Shutthanandan, V.; Nachimuthu, P.; Zhang, Y. (2008). "Photoluminescence of SnO2 nanoparticles embedded in Al2O3" (PDF). Journal of Applied Physics D: Applied Physics. 41 (22): 225102. doi:10.1088/0022-3727/41/22/225102. hdl:2027.42/64215.
16. 1936-, Ohring, Milton (2002). Materials science of thin films : deposition and structure (2nd ed.). San Diego, CA: Academic Press. ISBN 9780125249751. OCLC 162575935.

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