Ion implantasi: konsep, prinsip operasi, metode, tujuan dan aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Ion implantasi adalah proses suhu rendah di mana komponen elemen tunggal dipercepat ke permukaan padat wafer, sehingga mengubah sifat fisik, kimia atau listriknya. Metode ini digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor dan dalam penyelesaian logam, serta dalam penelitian ilmu material. Komponen dapat mengubah komposisi unsur pelat jika berhenti dan tetap berada di dalamnya. Implantasi ion juga menyebabkan perubahan kimia dan fisik ketika atom bertabrakan dengan target pada energi tinggi. Struktur kristal pelat dapat rusak atau bahkan hancur oleh energi tumbukan yang berjatuhan, dan partikel dengan energi yang cukup tinggi (10 MeV) dapat menyebabkan transmutasi nuklir.

Prinsip umum implantasi ion

Peralatan biasanya terdiri dari sumber di mana atom dari unsur yang diinginkan terbentuk, akselerator di mana mereka dipercepat secara elektrostatis ke tingkat yang tinggienergi, dan ruang target di mana mereka bertabrakan dengan target, yang merupakan materi. Jadi, proses ini merupakan kasus khusus radiasi partikel. Setiap ion biasanya merupakan atom atau molekul tunggal, dan dengan demikian jumlah sebenarnya dari bahan yang ditanamkan ke dalam target adalah integral waktu dari arus ion. Angka ini disebut dosis. Arus yang disuplai oleh implan biasanya kecil (microamps) dan oleh karena itu jumlah yang dapat ditanamkan dalam jumlah waktu yang wajar adalah kecil. Oleh karena itu, implantasi ion digunakan dalam kasus di mana jumlah perubahan kimia yang diperlukan kecil.

Energi ion tipikal berkisar dari 10 hingga 500 keV (1600 hingga 80000 aJ). Implantasi ion dapat digunakan pada energi rendah dalam kisaran 1 hingga 10 keV (160 hingga 1600 aJ), tetapi penetrasinya hanya beberapa nanometer atau kurang. Daya di bawah ini menghasilkan kerusakan yang sangat kecil pada target dan termasuk dalam sebutan deposisi berkas ion. Dan energi yang lebih tinggi juga dapat digunakan: akselerator yang mampu 5 MeV (800.000 aJ) adalah umum. Namun, sering ada banyak kerusakan struktural pada target, dan karena distribusi kedalaman yang lebar (puncak Bragg), perubahan bersih dalam komposisi pada setiap titik pada target akan menjadi kecil.

Energi ion, serta berbagai jenis atom dan komposisi target, menentukan kedalaman penetrasi partikel ke dalam padatan. Berkas ion monoenergi biasanya memiliki distribusi kedalaman yang lebar. Penetrasi rata-rata disebut jangkauan. PADAdi bawah kondisi khas itu akan menjadi antara 10 nanometer dan 1 mikrometer. Dengan demikian, implantasi ion energi rendah sangat berguna dalam kasus di mana diinginkan bahwa perubahan kimia atau struktural berada di dekat permukaan target. Partikel secara bertahap kehilangan energinya saat melewati padatan, baik dari tumbukan acak dengan atom target (yang menyebabkan transfer energi tiba-tiba) dan dari sedikit perlambatan akibat tumpang tindih orbital elektron, yang merupakan proses berkelanjutan. Kehilangan energi ion dalam target disebut stalling dan dapat dimodelkan menggunakan metode implantasi ion dari pendekatan tumbukan biner.

Sistem akselerator umumnya diklasifikasikan menjadi arus sedang, arus tinggi, energi tinggi, dan dosis sangat signifikan.

Semua jenis desain berkas implantasi ion mengandung kelompok komponen fungsional tertentu yang umum. Pertimbangkan contoh. Fondasi fisik dan fisika-kimia pertama dari implantasi ion termasuk perangkat yang dikenal sebagai sumber untuk menghasilkan partikel. Perangkat ini terkait erat dengan elektroda bias untuk mengekstraksi atom ke dalam garis berkas dan paling sering dengan beberapa cara memilih mode khusus untuk transportasi ke bagian utama akselerator. Pemilihan "massa" sering disertai dengan lewatnya berkas ion yang diekstraksi melalui daerah medan magnet dengan jalur keluar yang dibatasi oleh lubang pemblokiran atau "slot" yang memungkinkan hanya ion dengan nilai tertentu dari produk massa dan kecepatan.. Jika permukaan target lebih besar dari diameter berkas ion danjika dosis yang ditanamkan lebih merata di atasnya, maka beberapa kombinasi pemindaian sinar dan gerakan pelat digunakan. Akhirnya, target dihubungkan dengan suatu cara untuk mengumpulkan muatan yang terakumulasi dari ion yang ditanamkan sehingga dosis yang diberikan dapat diukur secara terus menerus dan proses dihentikan pada tingkat yang diinginkan.

Aplikasi dalam pembuatan semikonduktor

Doping dengan boron, fosfor atau arsenik adalah aplikasi umum dari proses ini. Dalam implantasi ion semikonduktor, setiap atom dopan dapat membuat pembawa muatan setelah anil. Anda dapat membuat lubang untuk dopan tipe-p dan elektron tipe-n. Ini mengubah konduktivitas semikonduktor di sekitarnya. Teknik ini digunakan, misalnya, untuk mengatur ambang batas MOSFET.

Ion implantasi dikembangkan sebagai metode untuk memperoleh sambungan pn dalam perangkat fotovoltaik pada akhir 1970-an dan awal 1980-an, bersama dengan penggunaan berkas elektron berdenyut untuk anil cepat, meskipun belum dikomersialkan hingga saat ini.

Silikon pada isolator

Salah satu metode terkenal untuk memproduksi bahan ini pada substrat isolator (SOI) dari substrat silikon konvensional adalah proses SIMOX (pemisahan dengan implantasi oksigen), di mana udara dosis tinggi diubah menjadi silikon oksida melalui proses anil suhu tinggi.

Mesotaxy

Ini adalah istilah untuk pertumbuhan secara kristalografifase bertepatan di bawah permukaan kristal utama. Dalam proses ini, ion ditanamkan pada energi dan dosis yang cukup tinggi ke dalam bahan untuk membuat lapisan fase kedua, dan suhu dikontrol sehingga struktur target tidak hancur. Orientasi kristal lapisan dapat dirancang sesuai dengan tujuan, bahkan jika konstanta kisi yang tepat bisa sangat berbeda. Misalnya, setelah menanamkan ion nikel ke dalam wafer silikon, lapisan silisida dapat tumbuh di mana orientasi kristal cocok dengan silikon.

Aplikasi Penyelesaian Logam

Nitrogen atau ion lainnya dapat ditanamkan ke target baja perkakas (seperti bor). Perubahan struktural menginduksi kompresi permukaan pada material, yang mencegah perambatan retak dan dengan demikian membuatnya lebih tahan terhadap fraktur.

Permukaan selesai

Dalam beberapa aplikasi, misalnya untuk prostesis seperti sambungan buatan, diinginkan untuk memiliki target yang sangat tahan terhadap korosi kimia dan keausan akibat gesekan. Implantasi ion digunakan untuk merancang permukaan perangkat tersebut untuk kinerja yang lebih andal. Seperti baja perkakas, modifikasi target yang disebabkan oleh implantasi ion mencakup kompresi permukaan untuk mencegah perambatan retak dan paduan agar lebih tahan terhadap korosi secara kimiawi.

Lainnyaaplikasi

Implantasi dapat digunakan untuk mencapai pencampuran berkas ion, yaitu pencampuran atom dari elemen yang berbeda pada antarmuka. Ini dapat berguna untuk mencapai permukaan bergradasi atau meningkatkan daya rekat antara lapisan bahan yang tidak dapat bercampur.

Pembentukan nanopartikel

Implantasi ion dapat digunakan untuk menginduksi material berskala nano dalam oksida seperti safir dan silikon dioksida. Atom dapat terbentuk sebagai hasil presipitasi atau pembentukan zat campuran yang mengandung elemen dan substrat yang ditanamkan ion.

Energi berkas ion yang biasa digunakan untuk mendapatkan nanopartikel berkisar antara 50 hingga 150 keV, dan pengaruh ion adalah dari 10-16 hingga 10-18 kV. lihat Berbagai macam bahan dapat dibentuk dengan ukuran dari 1 nm hingga 20 nm dan dengan komposisi yang dapat mengandung partikel implan, kombinasi yang hanya terdiri dari kation yang terikat pada substrat.

Material berbasis dielektrik seperti safir, yang mengandung nanopartikel terdispersi dari implantasi ion logam, merupakan bahan yang menjanjikan untuk optoelektronika dan optik nonlinier.

Masalah

Setiap ion individu menghasilkan banyak cacat titik pada kristal target saat tumbukan atau interstisial. Kekosongan adalah titik kisi yang tidak ditempati oleh atom: dalam hal ini, ion bertabrakan dengan atom target, yang mengarah pada transfer sejumlah besar energi ke sana, sehingga ia meninggalkannya.merencanakan. Objek target ini sendiri menjadi proyektil dalam benda padat dan dapat menyebabkan tabrakan berturut-turut. Celah terjadi ketika partikel seperti itu berhenti di dalam padatan tetapi tidak menemukan ruang kosong di kisi untuk ditinggali. Cacat titik ini selama implantasi ion dapat bermigrasi dan mengelompok satu sama lain, yang mengarah pada pembentukan loop dislokasi dan masalah lainnya.

Amorfisasi

Jumlah kerusakan kristalografi mungkin cukup untuk sepenuhnya mentransisikan permukaan target, yaitu harus menjadi padatan amorf. Dalam beberapa kasus, amorfisasi lengkap dari target lebih disukai daripada kristal dengan tingkat cacat yang tinggi: film semacam itu dapat tumbuh kembali pada suhu yang lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menganil kristal yang rusak parah. Amorfisasi substrat dapat terjadi sebagai akibat dari perubahan balok. Misalnya, ketika menanamkan ion yttrium ke dalam safir dengan energi pancaran 150 keV hingga pengaruh 510-16 Y+/sq. cm, lapisan vitreous setebal sekitar 110 nm terbentuk, diukur dari permukaan luar.

Semprot

Beberapa peristiwa tumbukan menyebabkan atom terlempar dari permukaan, dan dengan demikian implantasi ion akan perlahan mengikis permukaan. Efeknya hanya terlihat untuk dosis yang sangat besar.

Saluran ion

Jika struktur kristalografi diterapkan pada target, terutama pada substrat semikonduktor yang lebihterbuka, maka arah tertentu berhenti jauh lebih sedikit daripada yang lain. Hasilnya adalah jangkauan ion bisa jauh lebih besar jika bergerak tepat di sepanjang jalur tertentu, seperti dalam silikon dan bahan kubik berlian lainnya. Efek ini disebut penyaluran ion dan, seperti semua efek serupa, sangat non-linier, dengan penyimpangan kecil dari orientasi ideal yang menghasilkan perbedaan signifikan dalam kedalaman implantasi. Untuk alasan ini, sebagian besar berjalan beberapa derajat di luar sumbu, di mana kesalahan penyelarasan kecil akan memiliki efek yang lebih dapat diprediksi.