Cấy ion: khái niệm, nguyên lý hoạt động, phương pháp, mục đích và ứng dụng
Cấy ion: khái niệm, nguyên lý hoạt động, phương pháp, mục đích và ứng dụng

Video: Cấy ion: khái niệm, nguyên lý hoạt động, phương pháp, mục đích và ứng dụng

Video: Cấy ion: khái niệm, nguyên lý hoạt động, phương pháp, mục đích và ứng dụng
Video: Sẽ có quy định mới về tiền lương, lương hưu, trợ cấp từ 2023 | VTC14 2024, Tháng Ba
Anonim

Cấy ion là một quá trình ở nhiệt độ thấp, trong đó các thành phần của một nguyên tố được tăng tốc vào bề mặt rắn của tấm wafer, do đó thay đổi các đặc tính vật lý, hóa học hoặc điện của nó. Phương pháp này được sử dụng trong sản xuất các thiết bị bán dẫn và hoàn thiện kim loại, cũng như trong nghiên cứu khoa học vật liệu. Các thành phần có thể thay đổi thành phần nguyên tố của tấm nếu chúng dừng lại và vẫn ở trong đó. Cấy ion cũng gây ra những thay đổi hóa học và vật lý khi các nguyên tử va chạm với một mục tiêu ở năng lượng cao. Cấu trúc tinh thể của tấm có thể bị phá hủy hoặc thậm chí bị phá hủy bởi các dòng năng lượng của va chạm, và các hạt có năng lượng đủ cao (10 MeV) có thể gây ra biến đổi hạt nhân.

Nguyên tắc chung của cấy ion

những điều cơ bản về cấy ghép
những điều cơ bản về cấy ghép

Thiết bị thường bao gồm một nguồn nơi các nguyên tử của nguyên tố mong muốn được hình thành, một máy gia tốc nơi chúng được gia tốc tĩnh điện đến mức caonăng lượng và các khoang mục tiêu nơi chúng va chạm với mục tiêu, đó là vật liệu. Như vậy, quá trình này là một trường hợp đặc biệt của bức xạ hạt. Mỗi ion thường là một nguyên tử hoặc phân tử đơn lẻ, và do đó lượng vật chất thực tế được cấy vào mục tiêu là tích phân theo thời gian của dòng ion. Con số này được gọi là liều lượng. Dòng điện được cung cấp bởi thiết bị cấy ghép thường nhỏ (microampe) và do đó lượng điện có thể được cấy ghép trong một khoảng thời gian hợp lý là nhỏ. Do đó, cấy ion được sử dụng trong các trường hợp cần số lượng thay đổi hóa học nhỏ.

Năng lượng ion điển hình nằm trong khoảng từ 10 đến 500 keV (1600 đến 80000 aJ). Cấy ion có thể được sử dụng ở năng lượng thấp trong khoảng từ 1 đến 10 keV (160 đến 1600 aJ), nhưng sự xâm nhập chỉ là vài nanomet hoặc nhỏ hơn. Sức mạnh dưới mức này dẫn đến rất ít thiệt hại cho mục tiêu và nằm dưới sự chỉ định của sự lắng đọng chùm ion. Và năng lượng cao hơn cũng có thể được sử dụng: máy gia tốc có công suất 5 MeV (800.000 aJ) là phổ biến. Tuy nhiên, mục tiêu thường có nhiều thiệt hại về cấu trúc và do phân bố độ sâu rộng (đỉnh Bragg), sự thay đổi thực về thành phần tại bất kỳ điểm nào trên mục tiêu sẽ nhỏ.

Năng lượng của các ion, cũng như các loại nguyên tử khác nhau và thành phần của mục tiêu, xác định độ sâu thâm nhập của các hạt vào chất rắn. Chùm ion năng lượng đơn thường có phân bố độ sâu rộng. Độ thâm nhập trung bình được gọi là phạm vi. TẠItrong các điều kiện điển hình, nó sẽ nằm trong khoảng từ 10 nanomet đến 1 micromet. Do đó, việc cấy ion năng lượng thấp đặc biệt hữu ích trong trường hợp mong muốn sự thay đổi cấu trúc hoặc hóa học ở gần bề mặt mục tiêu. Các hạt dần dần mất năng lượng khi chúng đi qua chất rắn, cả do va chạm ngẫu nhiên với các nguyên tử mục tiêu (gây ra sự chuyển giao năng lượng đột ngột) và do giảm tốc độ nhẹ do sự xen phủ của các obitan electron, đây là một quá trình liên tục. Sự mất mát năng lượng của các ion trong một mục tiêu được gọi là ngưng trệ và có thể được lập mô hình bằng cách sử dụng phương pháp cấy ion của phép gần đúng va chạm nhị phân.

Hệ thống máy gia tốc thường được phân loại thành dòng điện trung bình, dòng điện cao, năng lượng cao và liều lượng rất đáng kể.

Tất cả các loại thiết kế chùm tia cấy ion đều chứa một số nhóm thành phần chức năng chung nhất định. Hãy xem xét các ví dụ. Cơ sở vật lý và hóa lý đầu tiên của quá trình cấy ion bao gồm một thiết bị được coi là nguồn tạo ra các hạt. Thiết bị này được kết hợp chặt chẽ với các điện cực phân cực để chiết xuất các nguyên tử vào dòng tia và thường là với một số phương tiện chọn chế độ cụ thể để vận chuyển đến phần chính của máy gia tốc. Việc lựa chọn "khối lượng" thường đi kèm với việc cho chùm ion chiết xuất đi qua vùng từ trường có đường thoát giới hạn bởi các lỗ chặn hoặc "khe" chỉ cho phép các ion có giá trị nhất định của tích khối lượng và vận tốc.. Nếu bề mặt mục tiêu lớn hơn đường kính chùm ion vànếu liều lượng cấy được phân bố đều hơn, thì một số kết hợp giữa quét chùm và chuyển động tấm sẽ được sử dụng. Cuối cùng, mục tiêu được kết nối với một số cách thu thập điện tích tích lũy của các ion được cấy ghép để có thể đo liên tục liều lượng được phân phối và quá trình dừng lại ở mức mong muốn.

Ứng dụng trong sản xuất chất bán dẫn

Pha tạp chất với bo, phốt pho hoặc asen là một ứng dụng phổ biến của quy trình này. Trong quá trình cấy ion của chất bán dẫn, mỗi nguyên tử dopant có thể tạo ra hạt tải điện sau khi ủ. Bạn có thể tạo một lỗ trống cho một dopant loại p và một electron loại n. Điều này làm thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn trong vùng lân cận của nó. Ví dụ, kỹ thuật này được sử dụng để điều chỉnh ngưỡng của MOSFET.

Cấy ion được phát triển như một phương pháp thu được tiếp giáp pn trong các thiết bị quang điện vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980, cùng với việc sử dụng chùm điện tử xung để ủ nhanh, mặc dù cho đến nay nó vẫn chưa được thương mại hóa.

Silicon trên chất cách điện

cơ sở vật lý và hóa lý
cơ sở vật lý và hóa lý

Một trong những phương pháp nổi tiếng để sản xuất vật liệu này trên chất cách điện (SOI) từ chất nền silicon thông thường là quy trình SIMOX (tách bằng cách cấy oxy), trong đó không khí liều lượng cao được chuyển đổi thành oxit silic thông qua một quy trình ủ nhiệt độ cao.

Mesotaxy

Đây là thuật ngữ chỉ sự phát triển về mặt tinh thể họctrùng pha dưới bề mặt của tinh thể chính. Trong quá trình này, các ion được cấy với năng lượng và liều lượng đủ cao vào vật liệu để tạo ra lớp pha thứ hai, và nhiệt độ được kiểm soát để cấu trúc đích không bị phá hủy. Hướng tinh thể của lớp có thể được thiết kế để phù hợp với mục đích, ngay cả khi hằng số mạng chính xác có thể rất khác nhau. Ví dụ: sau khi cấy các ion niken vào một tấm silicon, một lớp silicide có thể được trồng trong đó hướng tinh thể khớp với hướng của silicon.

Ứng dụng hoàn thiện bằng kim loại

cơ sở hóa lý của cấy ghép
cơ sở hóa lý của cấy ghép

Nitơ hoặc các ion khác có thể được cấy vào mục tiêu thép dụng cụ (chẳng hạn như máy khoan). Sự thay đổi cấu trúc gây ra lực nén bề mặt trong vật liệu, ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và do đó làm cho nó có khả năng chống đứt gãy tốt hơn.

Hoàn thiện bề mặt

cơ sở vật lý của cấy ion
cơ sở vật lý của cấy ion

Trong một số ứng dụng, ví dụ đối với các bộ phận giả như khớp nhân tạo, cần có mục tiêu có khả năng chống ăn mòn hóa học cao và mài mòn do ma sát. Cấy ion được sử dụng để thiết kế bề mặt của các thiết bị như vậy để có hiệu suất đáng tin cậy hơn. Cũng như thép công cụ, việc sửa đổi mục tiêu do cấy ion bao gồm cả nén bề mặt để ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và tạo hợp kim để làm cho nó có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn.

Khácứng dụng

cơ sở hóa học của cấy ion
cơ sở hóa học của cấy ion

Cấy ghép có thể được sử dụng để đạt được sự pha trộn của các chùm ion, tức là sự pha trộn các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tại bề mặt phân cách. Điều này có thể hữu ích để đạt được bề mặt chia độ hoặc tăng cường độ bám dính giữa các lớp vật liệu không thể trộn lẫn.

Hình thành các hạt nano

Cấy ion có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu có kích thước nano trong ôxít như sapphire và silicon dioxide. Nguyên tử có thể được hình thành do kết tủa hoặc hình thành các chất hỗn hợp chứa cả nguyên tố cấy ion và chất nền.

Năng lượng chùm ion điển hình được sử dụng để thu được các hạt nano nằm trong khoảng từ 50 đến 150 keV và độ lưu huỳnh của ion là từ 10-16 đến 10-18 kV. xem Có thể tạo ra nhiều loại vật liệu với kích thước từ 1 nm đến 20 nm và với các chế phẩm có thể chứa các hạt cấy ghép, sự kết hợp chỉ bao gồm một cation liên kết với chất nền.

Vật liệu dựa trên điện môi như sapphire, chứa các hạt nano phân tán của quá trình cấy ion kim loại, là vật liệu đầy hứa hẹn cho quang điện tử và quang học phi tuyến.

Vấn đề

Mỗi ion riêng biệt tạo ra nhiều điểm khuyết tật trong tinh thể mục tiêu khi va chạm hoặc kẽ. Khoảng trống là các điểm mạng tinh thể không bị chiếm bởi nguyên tử: trong trường hợp này, ion va chạm với nguyên tử mục tiêu, dẫn đến việc chuyển một lượng năng lượng đáng kể cho nó, để nó rời khỏikịch bản. Vật thể mục tiêu này tự nó trở thành một đường đạn trong một thể rắn và có thể gây ra các vụ va chạm liên tiếp. Xen kẽ xảy ra khi các hạt như vậy dừng lại trong một chất rắn nhưng không tìm thấy không gian tự do trong mạng tinh thể để sinh sống. Các khuyết tật điểm này trong quá trình cấy ion có thể di chuyển và tụ lại với nhau, dẫn đến hình thành các vòng lệch vị trí và các vấn đề khác.

Amorphization

Lượng tổn thương tinh thể có thể đủ để chuyển đổi hoàn toàn bề mặt mục tiêu, tức là nó phải trở thành chất rắn vô định hình. Trong một số trường hợp, việc amorphi hóa hoàn toàn mục tiêu thích hợp hơn đối với tinh thể có mức độ khuyết tật cao: màng như vậy có thể phát triển lại ở nhiệt độ thấp hơn mức cần thiết để ủ một tinh thể bị hư hỏng nặng. Quá trình amorphi hóa của chất nền có thể xảy ra do sự thay đổi chùm tia. Ví dụ, khi cấy các ion yttrium vào sapphire ở năng lượng chùm 150 keV lên đến độ lưu huỳnh 510-16 Y + / sq. cm, một lớp thủy tinh thể dày khoảng 110 nm được hình thành, được đo từ bề mặt bên ngoài.

Phun

Cấy ion
Cấy ion

Một số sự kiện va chạm khiến các nguyên tử bị đẩy ra khỏi bề mặt, và do đó quá trình cấy ion sẽ từ từ ăn mòn bề mặt. Hiệu quả chỉ đáng chú ý với liều lượng rất lớn.

Kênh ion

cơ sở vật lý và hóa lý
cơ sở vật lý và hóa lý

Nếu cấu trúc tinh thể học được áp dụng cho mục tiêu, đặc biệt là trong chất nền bán dẫn, nơi nó nhiều hơnmở, sau đó các hướng cụ thể dừng lại ít hơn nhiều so với các hướng khác. Kết quả là phạm vi của một ion có thể lớn hơn nhiều nếu nó di chuyển chính xác theo một đường nhất định, chẳng hạn như trong silicon và các vật liệu hình khối kim cương khác. Hiệu ứng này được gọi là kênh ion và giống như tất cả các hiệu ứng tương tự, rất phi tuyến tính, với độ lệch nhỏ so với định hướng lý tưởng dẫn đến sự khác biệt đáng kể về độ sâu cấy. Vì lý do này, hầu hết chạy lệch trục một vài độ, trong đó các lỗi căn chỉnh nhỏ sẽ có tác động dễ đoán hơn.

Đề xuất: