Implantación de iones
La implantación de iones es un proceso a baja temperatura mediante el cual los iones de un elemento se aceleran en 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 la composición del objetivo) si se detienen y permanecen en el objetivo. La implantación de iones también provoca cambios químicos y físicos cuando los iones inciden en el objetivo a alta energía. La estructura cristalina del objetivo puede dañarse o incluso destruirse por las cascadas de colisión energética, y los iones de energía suficientemente alta (10s de MeV) pueden causar la transmutación nuclear.
Principio general
El equipo de implantación de iones generalmente consta de una fuente de iones, donde se producen los iones del elemento deseado, un acelerador, donde los iones se aceleran electrostáticamente a una alta energía, y una cámara objetivo, donde los iones inciden en un objetivo, que es el material a implantar. Así, 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 la dosis. Las corrientes suministradas por los implantes suelen ser pequeñas (microamperios) y, por lo tanto, la dosis que se puede implantar en un 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 (1600 a 80 000 aJ). Se pueden usar energías en el rango de 1 a 10 keV (160 a 1600 aJ), pero dan como resultado una penetración de solo unos pocos nanómetros o menos. Las energías inferiores a esta dan como resultado muy poco daño al objetivo y caen bajo la designación de deposición de haz de iones. También se pueden usar energías más altas: son comunes 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 monoenergético generalmente tendrá una amplia distribución de profundidad. La profundidad de penetración promedio se denomina rango de los iones. En circunstancias típicas, los rangos de iones estarán entre 10 nanómetros y 1 micrómetro. Por lo tanto, la implantación de iones es especialmente útil en 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 provocan transferencias de energía abruptas) como por un leve arrastre por superposición de orbitales de electrones, que es un proceso continuo. La pérdida de energía iónica en el objetivo se denomina parada y se puede simular con el método de aproximación de colisión binaria.
Los sistemas aceleradores para la implantación de iones generalmente se clasifican en corriente media (corrientes de haz de iones entre 10 μA y ~2 mA), corriente alta (corrientes de haz de iones de hasta ~30 mA), alta energía (energías de iones superiores a 200 keV y más). a 10 MeV), y dosis muy alta (implante eficaz de dosis superior a 1016 iones/cm2).
Fuente de iones
Todas las variedades de diseños de líneas de luz de implantación de iones contienen grupos generales de componentes funcionales (ver imagen). El primer segmento principal de una línea de luz de iones incluye una fuente de iones utilizada para generar las especies de iones. La fuente está estrechamente acoplada a electrodos polarizados para la extracción de los iones hacia la línea de luz y, con mayor frecuencia, a algún medio de seleccionar una especie de ion en particular para transportarla a la sección principal del acelerador.
La "masa" La selección (al igual que en el espectrómetro de masas) a menudo va acompañada del paso del haz de iones extraído a través de una región de campo magnético con una ruta de salida restringida por aberturas de bloqueo, o "rendijas", que permiten solo iones con un valor específico. del producto de masa y velocidad/carga para continuar por la línea de luz. Si la superficie del objetivo es más grande que el diámetro del haz de iones y se desea una distribución uniforme de la dosis implantada sobre la superficie del objetivo, se utiliza alguna combinación de exploración del haz y movimiento de la 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 en el nivel de dosis deseado.
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 hueco 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 voltaje de umbral de un MOSFET.
La implantación de iones se desarrolló como un método para producir la unión p-n de dispositivos fotovoltaicos a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, junto con el uso de haz de electrones pulsados para recocido rápido, aunque el haz de electrones pulsados para recocido rápido no tiene que fecha se ha utilizado para la producción comercial.
Silicona sobre aislante
Un método destacado para preparar sustratos de silicio sobre aislante (SOI) a partir de sustratos de silicio convencionales es el proceso SIMOX (separación por implantación de oxígeno), en el que un implante enterrado de alta dosis de oxígeno 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 coincidente cristalográficamente debajo de la superficie del cristal anfitrión (comparado con epitaxia, que es el crecimiento de la fase coincidente en la superficie de un sustrato). En este proceso, los iones se implantan a una energía lo suficientemente alta y se dosifican 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 del cristal del siliciuro coincida con la del silicio.
Aplicación en acabado de metales
Templado de acero para herramientas
Se puede implantar nitrógeno u otros iones 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 impide la propagación de grietas y, por tanto, 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 dispositivos protésicos como articulaciones artificiales, se desea tener superficies muy resistentes tanto a la corrosión química como al desgaste por fricción. La implantación de iones se usa 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 químicamente más resistente 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 interfases graduadas o fortalecer la adhesión entre capas de materiales inmiscibles.
Formación de nanopartículas inducida por 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, informado por primera vez por Hunt y Hampikian. Las energías típicas del haz de iones utilizadas para producir nanopartículas oscilan entre 50 y 150 keV, con fluencias iónicas que oscilan entre 1016 y 1018 iones/cm2. La siguiente tabla resume parte del trabajo que se ha 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 ion implantado y el 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.
| Especies implantadas | Substrate | Ion Beam Energy (keV) | Fluence (ions/cm)2) | Post Implantation Tratamiento de calor | Resultado | Fuente | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Produce óxidos que Contienen el Ión Implantado | Co | Al2O3 | 65 | 5*1017 | Annealing a 1400 °C | Forms Al2CoO4 spinel | |
| Co | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | Annealing a 1000 °C en ambiente oxidante | Forms Al2CoO4 spinel | ||
| Mg | Al2O3 | 150 | 5*1016 | -... | Forms MgAl2O4 plaquetas | ||
| Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | Annealing in O2 atmósfera a 1000 °C para 1 hr | 30 nm SnO2 nanopartículas forma | ||
| Zn | α-Al2O3 | 48 | 1*1017 | Annealing in O2 atmósfera a 600 °C | Forma de nanopartículas ZnO | ||
| Zr | Al2O3 | 65 | 5*1017 | Annealing a 1400 °C | ZrO2 forma de precipitados | ||
| Produce Nanoparticles Metallic de Especies Implantadas | Ag | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | Annealing de 600 °C a 1100 °C en oxidación, reducción, Ar o N2 atmósferas | nanopartículas Ag en Al2O3 matriz | |
| Au | α-Al2O3 | 160 | 0.6*1017, 1*1016 | 1 hr a 800 °C en el aire | Au nanopartículas en Al2O3 matriz | ||
| Au | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | Annealing de 600 °C a 1100 °C en oxidación, reducción, Ar o N2 atmósferas | Au nanopartículas en Al2O3 matriz | ||
| Co | α-Al2O3 | 150 | ", "16 | Annealing a 1000 °C | nanopartículas en Al2O3 matriz | ||
| Co | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | Annealing a 1000 °C en la reducción del ambiente | Precipitación de metal Co | ||
| Fe | α-Al2O3 | 160 | 1*1016 a 2*1017 | Annealing para 1 hr de 700 °C a 1500 °C en reducción ambiente | Fe nanocomposites | ||
| Ni | α-Al2O3 | 64 | 1*1017 | -... | 1-5 nm Ni nanopartículas | ||
| Si | α-Al2O3 | 50 | 2*1016, 8*1016 | Annealing a 500 °C o 1000 °C por 30 min | nanopartículas en Al2O3 | ||
| Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | -... | 15 nm tetragonal Sn nanopartículas | ||
| Ti | α-Al2O3 | 100 | ", "16 | Annealing a 1000 °C | Ti nanopartículas en Al2O3 | ||
| Produce Nanoparticles Metallic de Substrate | Ca | Al2O3 | 150 | 5*1016 | -... | Al nanopartículas en matriz amorfo que contiene Al2O3 and CaO | |
| Y | Al2O3 | 150 | 5*1016 | -... | 10,7± 1,8 m Al partículas en matriz amorfo que contiene Al2O3 Y2O3 | ||
| Y | Al2O3 | 150 | 2.5*1016 | -... | 9.0± 1,2 nm Al partículas en matriz amorfo que contiene Al2O3 Y2O3 |
Problemas con la implantación de iones
Daño cristalográfico
Cada ion individual produce muchos defectos puntuales en el cristal objetivo en el impacto, como vacantes e intersticiales. Las vacantes son puntos de la red cristalina desocupados por un átomo: en este caso, el ion choca con un átomo objetivo, lo que resulta en la transferencia de una cantidad significativa de energía al átomo objetivo de modo que abandona su sitio cristalino. Este átomo objetivo se convierte en un proyectil en el sólido y puede causar eventos de colisión sucesivos. Los intersticiales se producen cuando dichos átomos (o el ion original en sí) descansan en el sólido, pero no encuentran un espacio vacío en la red para residir. Estos defectos puntuales pueden migrar y agruparse entre sí, lo que da como resultado bucles de dislocación y otros defectos.
Recuperación de daños
Debido a que la implantación de iones provoca daños en la estructura cristalina del objetivo, lo que a menudo no es deseado, el proceso de implantación de iones suele ir seguido de un recocido térmico. Esto puede denominarse recuperación de daños.
Amorfización
La cantidad de daño cristalográfico puede ser suficiente para amorfizar por completo la superficie del objetivo: es decir, puede convertirse en un sólido amorfo (este sólido producido a partir de una fusión se llama vidrio). En algunos casos, la amorfización completa de un objetivo es preferible a un cristal muy defectuoso: una película amorfizada puede volver a crecer a una temperatura más baja que la requerida para recocer un cristal muy dañado. La amorfización del sustrato puede ocurrir como resultado del daño del haz. Por ejemplo, la implantación de iones de itrio en zafiro con una energía de haz de iones de 150 keV a una fluencia de 5*1016 Y+/cm2 produce una capa vítrea amorfa de aproximadamente 110 nm de espesor, medida desde la superficie exterior. [Caza, 1999]
Chisporroteo
Algunos de los eventos de colisión dan como resultado la expulsión (pulverización) de átomos de la superficie y, por lo tanto, la implantación de iones erosionará lentamente la superficie. El efecto solo es apreciable para dosis muy grandes.
Canalización de iones
Si hay una estructura cristalográfica en el objetivo, y especialmente en sustratos semiconductores donde la estructura cristalina es más abierta, las direcciones cristalográficas particulares ofrecen una parada mucho más baja que otras direcciones. El resultado es que el rango de un ion puede ser mucho mayor si el ion viaja exactamente a lo largo de una dirección particular, por ejemplo, el <110> dirección en silicio y otros materiales cúbicos de diamante. Este efecto se llama canalización de iones y, como todos los efectos de canalización, es altamente no lineal, con pequeñas variaciones de la orientación perfecta que resultan en diferencias extremas en la profundidad de implantación. Por esta razón, la mayoría de las implantaciones se realizan unos pocos grados fuera del eje, donde los pequeños errores de alineación tendrán efectos más predecibles.
La canalización de iones se puede utilizar directamente en la retrodispersión de Rutherford y técnicas relacionadas como método analítico para determinar la cantidad y el perfil de profundidad del daño en materiales de película fina cristalina.
Seguridad
Materiales peligrosos
En la fabricación de obleas, a menudo se utilizan materiales tóxicos como la arsina y la fosfina en el proceso de implantación de iones. Otros elementos cancerígenos, corrosivos, inflamables o tóxicos comunes incluyen el antimonio, el arsénico, el fósforo y el boro. Las instalaciones de fabricación de semiconductores están altamente automatizadas, pero se pueden encontrar residuos de elementos peligrosos en las máquinas durante el mantenimiento y en el hardware de la bomba de vacío.
Altas tensiones y aceleradores de partículas
Las fuentes de alimentación de alto voltaje utilizadas en los aceleradores de iones necesarios para la implantación de iones pueden suponer un riesgo de lesiones eléctricas. Además, las colisiones atómicas de alta energía pueden generar rayos X y, en algunos casos, otras radiaciones ionizantes y radionúclidos. Además del alto voltaje, los aceleradores de partículas como los aceleradores de partículas lineales de radiofrecuencia y los aceleradores de plasma de campo de estela láser presentan otros peligros.
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