การปลูกถ่ายไอออน: แนวคิด หลักการทำงาน วิธีการ วัตถุประสงค์และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

การฝังไอออนเป็นกระบวนการที่อุณหภูมิต่ำโดยที่ส่วนประกอบขององค์ประกอบเดียวถูกเร่งให้กลายเป็นพื้นผิวแข็งของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี หรือทางไฟฟ้า วิธีนี้ใช้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และการตกแต่งผิวโลหะ ตลอดจนในการวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ ส่วนประกอบสามารถเปลี่ยนองค์ประกอบองค์ประกอบของจานหากหยุดและยังคงอยู่ในจาน การฝังไอออนยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและทางกายภาพเมื่ออะตอมชนกับเป้าหมายด้วยพลังงานสูง โครงสร้างผลึกของเพลตอาจเสียหายหรือถูกทำลายได้ด้วยพลังงานที่ลดหลั่นจากการชนกัน และอนุภาคที่มีพลังงานสูงเพียงพอ (10 MeV) ก็สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียร์ได้

หลักการทั่วไปของการฝังไอออน

อุปกรณ์มักจะประกอบด้วยแหล่งกำเนิดซึ่งอะตอมขององค์ประกอบที่ต้องการจะก่อตัวขึ้น ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่พวกมันจะถูกเร่งด้วยไฟฟ้าสถิตให้อยู่ในระดับสูงพลังงานและห้องเป้าหมายที่ชนกับเป้าหมายซึ่งเป็นวัสดุ ดังนั้น กระบวนการนี้เป็นกรณีพิเศษของการแผ่รังสีของอนุภาค ไอออนแต่ละตัวมักจะเป็นอะตอมหรือโมเลกุลเดี่ยว ดังนั้นปริมาณที่แท้จริงของวัสดุที่ฝังเข้าไปในเป้าหมายคืออินทิกรัลเวลาของกระแสไอออน ตัวเลขนี้เรียกว่าปริมาณ กระแสที่จ่ายโดยรากฟันเทียมมักจะมีขนาดเล็ก (ไมโครแอมป์) ดังนั้นปริมาณที่สามารถปลูกฝังได้ในเวลาที่เหมาะสมจึงน้อย ดังนั้นการฝังอิออนจึงถูกนำมาใช้ในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ต้องการเพียงเล็กน้อย

พลังงานไอออนทั่วไปมีตั้งแต่ 10 ถึง 500 keV (1600 ถึง 80000 aJ) การฝังไอออนสามารถใช้ได้ที่พลังงานต่ำในช่วง 1 ถึง 10 keV (160 ถึง 1600 aJ) แต่การเจาะทะลุนั้นทำได้เพียงไม่กี่นาโนเมตรหรือน้อยกว่า กำลังที่ต่ำกว่านี้ส่งผลให้เกิดความเสียหายเพียงเล็กน้อยต่อเป้าหมายและตกอยู่ภายใต้การกำหนดของการสะสมของลำแสงไอออน และยังสามารถใช้พลังงานที่สูงขึ้นได้อีกด้วย: ตัวเร่งความเร็วที่มีความสามารถ 5 MeV (800,000 aJ) เป็นเรื่องปกติ อย่างไรก็ตาม มักจะมีความเสียหายเชิงโครงสร้างกับเป้าหมายเป็นจำนวนมาก และเนื่องจากการกระจายความลึกกว้าง (ยอดแบรกก์) การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบสุทธิ ณ จุดใดๆ ของเป้าหมายจึงมีน้อย

พลังงานของไอออน เช่นเดียวกับอะตอมประเภทต่างๆ และองค์ประกอบของเป้าหมาย เป็นตัวกำหนดความลึกของการแทรกซึมของอนุภาคในของแข็ง ลำไอออนพลังงานเดียวมักจะมีการกระจายความลึกที่กว้าง การเจาะเฉลี่ยเรียกว่าพิสัย ที่ภายใต้สภาวะปกติจะอยู่ระหว่าง 10 นาโนเมตรถึง 1 ไมโครเมตร ดังนั้น การฝังไอออนพลังงานต่ำจึงมีประโยชน์อย่างยิ่งในกรณีที่ต้องการให้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือโครงสร้างอยู่ใกล้พื้นผิวเป้าหมาย อนุภาคจะค่อยๆ สูญเสียพลังงานเมื่อเคลื่อนผ่านของแข็ง ทั้งจากการชนแบบสุ่มกับอะตอมเป้าหมาย (ซึ่งทำให้เกิดการถ่ายเทพลังงานอย่างกะทันหัน) และการชะลอตัวเล็กน้อยจากการทับซ้อนกันของออร์บิทัลของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกระบวนการต่อเนื่อง การสูญเสียพลังงานของไอออนในเป้าหมายเรียกว่าการหยุดชะงัก และสามารถจำลองได้โดยใช้วิธีการฝังไอออนของการประมาณการชนแบบไบนารี

ระบบคันเร่งโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นกระแสไฟปานกลาง กระแสสูง พลังงานสูง และปริมาณรังสีที่สำคัญมาก

การออกแบบลำแสงการฝังไอออนแบบต่างๆ ทั้งหมดมีกลุ่มส่วนประกอบที่ใช้งานได้ทั่วไปบางกลุ่ม พิจารณาตัวอย่าง รากฐานทางกายภาพและทางเคมีฟิสิกส์ครั้งแรกของการฝังไอออนรวมถึงอุปกรณ์ที่เรียกว่าแหล่งกำเนิดสำหรับการสร้างอนุภาค อุปกรณ์นี้มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอิเล็กโทรดแบบเอนเอียงเพื่อแยกอะตอมออกจากแนวลำแสง และส่วนใหญ่มักใช้วิธีเลือกโหมดเฉพาะสำหรับการขนส่งไปยังส่วนหลักของคันเร่ง การเลือก "มวล" มักจะมาพร้อมกับการเคลื่อนผ่านของลำไอออนที่สกัดออกมาผ่านบริเวณสนามแม่เหล็กที่มีเส้นทางออกที่จำกัดโดยการปิดกั้นรูหรือ "ช่อง" ที่ยอมให้เฉพาะไอออนที่มีค่าผลคูณของมวลและความเร็วที่แน่นอน. หากพื้นผิวเป้าหมายมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงไอออนและถ้าขนาดยาที่ปลูกถ่ายมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอมากกว่านั้น จะใช้การสแกนลำแสงร่วมกับการเคลื่อนที่ของเพลทร่วมกัน สุดท้าย เป้าหมายเชื่อมต่อกับวิธีการบางอย่างในการรวบรวมประจุที่สะสมของไอออนที่ฝังไว้ เพื่อให้สามารถวัดปริมาณที่ส่งได้อย่างต่อเนื่องและกระบวนการหยุดที่ระดับที่ต้องการ

การใช้งานในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การเติมโบรอน ฟอสฟอรัส หรือสารหนูเป็นกระบวนการทั่วไป ในการฝังไอออนของเซมิคอนดักเตอร์ อะตอมของสารเจือปนแต่ละอะตอมสามารถสร้างตัวพาประจุหลังจากการหลอมได้ คุณสามารถสร้างรูสำหรับสารเจือปนชนิด p และอิเล็กตรอนชนิด n ได้ สิ่งนี้จะเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ในบริเวณใกล้เคียง เทคนิคนี้ใช้ ตัวอย่างเช่น เพื่อปรับขีดจำกัดของ MOSFET

การปลูกถ่ายไอออนได้รับการพัฒนาให้เป็นวิธีการเพื่อให้ได้จุดแยก pn ในอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในปลายทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 ควบคู่ไปกับการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแบบพัลซิ่งเพื่อการหลอมอย่างรวดเร็ว แม้ว่าจะยังไม่มีการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์จนถึงปัจจุบัน

ซิลิคอนบนฉนวน

วิธีหนึ่งที่รู้จักกันดีในการผลิตวัสดุนี้บนวัสดุฉนวน (SOI) จากพื้นผิวซิลิกอนทั่วไปคือกระบวนการ SIMOX (การแยกโดยการปลูกถ่ายออกซิเจน) ซึ่งอากาศปริมาณมากจะถูกแปลงเป็นซิลิกอนออกไซด์ผ่าน กระบวนการหลอมที่อุณหภูมิสูง

Mesotaxy

นี่คือคำศัพท์สำหรับการเติบโตทางผลึกศาสตร์ระยะประชิดใต้พื้นผิวของผลึกหลัก ในกระบวนการนี้ อิออนจะถูกฝังด้วยพลังงานที่สูงเพียงพอและโดสลงในวัสดุเพื่อสร้างชั้นเฟสที่สอง และอุณหภูมิจะถูกควบคุมเพื่อไม่ให้โครงสร้างเป้าหมายถูกทำลาย การวางแนวคริสตัลของชั้นสามารถออกแบบให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ แม้ว่าค่าคงที่ขัดแตะที่แน่นอนจะแตกต่างกันมาก ตัวอย่างเช่น หลังจากฝังไอออนของนิกเกิลลงในแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน ชั้นของซิลิไซด์สามารถเติบโตได้ โดยการวางแนวของผลึกตรงกับชั้นของซิลิคอน

งานเคลือบโลหะ

ไนโตรเจนหรือไอออนอื่นๆ สามารถฝังลงในเป้าหมายเหล็กกล้าของเครื่องมือ (เช่น สว่าน) การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทำให้เกิดการกดทับของพื้นผิวในวัสดุ ซึ่งป้องกันการแพร่กระจายของรอยแตกและทำให้ทนทานต่อการแตกหักมากขึ้น

เสร็จสิ้นพื้นผิว

ในการใช้งานบางอย่าง เช่น สำหรับขาเทียม เช่น ข้อต่อเทียม ขอแนะนำให้มีเป้าหมายที่ทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมีและการสึกหรออันเนื่องมาจากการเสียดสีสูง การฝังไอออนใช้เพื่อออกแบบพื้นผิวของอุปกรณ์ดังกล่าวเพื่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้มากขึ้น เช่นเดียวกับเหล็กกล้าเครื่องมือ การดัดแปลงเป้าหมายที่เกิดจากการฝังไอออนรวมถึงทั้งการกดพื้นผิวเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของรอยแตกและการผสมเพื่อให้ทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีมากขึ้น

อื่นๆแอปพลิเคชั่น

การปลูกถ่ายสามารถใช้เพื่อให้เกิดการผสมของลำไอออน นั่นคือการผสมอะตอมขององค์ประกอบต่างๆ ที่ส่วนต่อประสาน สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับการบรรลุพื้นผิวที่สำเร็จการศึกษาหรือเพิ่มการยึดเกาะระหว่างชั้นของวัสดุที่เข้ากันไม่ได้

การก่อตัวของอนุภาคนาโน

การฝังไอออนสามารถใช้กระตุ้นวัสดุระดับนาโนในออกไซด์ เช่น แซฟไฟร์และซิลิกอนไดออกไซด์ อะตอมสามารถเกิดขึ้นได้จากการตกตะกอนหรือการก่อตัวของสารผสมที่มีทั้งองค์ประกอบที่ปลูกด้วยไอออนและสารตั้งต้น

พลังงานลำแสงไอออนทั่วไปที่ใช้ในการรับอนุภาคนาโนอยู่ในช่วง 50 ถึง 150 keV และการไหลของไอออนอยู่ระหว่าง 10-16 ถึง 10-18 kV ดู วัสดุที่หลากหลายสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้ขนาดตั้งแต่ 1 นาโนเมตรถึง 20 นาโนเมตร และด้วยองค์ประกอบที่สามารถมีอนุภาคที่ฝังอยู่ การผสมผสานที่ประกอบด้วยไอออนบวกที่จับกับซับสเตรตเท่านั้น

วัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า เช่น แซฟไฟร์ ซึ่งมีอนุภาคนาโนที่กระจัดกระจายของการฝังไอออนของโลหะ เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์และออปติกที่ไม่เชิงเส้น

ปัญหา

ไอออนแต่ละตัวทำให้เกิดข้อบกพร่องหลายจุดในคริสตัลเป้าหมายเมื่อมีการกระแทกหรือคั่นระหว่างหน้า ตำแหน่งงานว่างคือจุดขัดแตะที่ไม่มีอะตอม: ในกรณีนี้ไอออนชนกับอะตอมเป้าหมายซึ่งนำไปสู่การถ่ายเทพลังงานจำนวนมากไปยังมันเพื่อให้มันออกจากพล็อต วัตถุเป้าหมายนี้เองกลายเป็นโพรเจกไทล์ในวัตถุแข็งและอาจทำให้เกิดการชนกันต่อเนื่องได้ Interstices เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคดังกล่าวหยุดในของแข็ง แต่ไม่พบที่ว่างในตาข่ายที่จะอาศัยอยู่ จุดบกพร่องเหล่านี้ในระหว่างการฝังไอออนสามารถโยกย้ายและรวมกลุ่มกัน นำไปสู่การก่อตัวของลูปความคลาดเคลื่อนและปัญหาอื่นๆ

เปลี่ยนรูป

จำนวนความเสียหายทางผลึกศาสตร์อาจเพียงพอที่จะเปลี่ยนพื้นผิวเป้าหมายได้อย่างสมบูรณ์ กล่าวคือ มันจะต้องกลายเป็นของแข็งที่ไม่เป็นรูปเป็นร่าง ในบางกรณี การเปลี่ยนรูปร่างโดยสมบูรณ์ของเป้าหมายจะดีกว่าคริสตัลที่มีความบกพร่องในระดับสูง: ฟิล์มดังกล่าวสามารถเติบโตใหม่ได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าที่จำเป็นสำหรับการหลอมผลึกที่เสียหายอย่างรุนแรง Amorphization ของซับสเตรตสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของลำแสง ตัวอย่างเช่น เมื่อฝังอิตเทรียมไอออนลงในไพลินที่พลังงานลำแสง 150 keV จนถึงความไหล 510-16 Y+/sq. ซม. เป็นชั้นแก้วหนาประมาณ 110 นาโนเมตร วัดจากพื้นผิวด้านนอก

สเปรย์

การชนกันบางอย่างทำให้อะตอมหลุดออกจากพื้นผิว ดังนั้นการฝังไอออนจะค่อยๆ กัดเซาะพื้นผิวออกไป เห็นผลได้เฉพาะในปริมาณมากเท่านั้น

ช่องไอออน

หากโครงสร้างผลึกถูกนำไปใช้กับเป้าหมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีมากกว่าเปิดอยู่ แล้วทิศทางที่เฉพาะเจาะจงจะหยุดน้อยกว่าเส้นทางอื่นมาก ผลที่ได้คือช่วงของไอออนสามารถเพิ่มขึ้นได้มาก หากเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่แน่นอน เช่น ในซิลิคอนและวัสดุลูกบาศก์เพชรอื่นๆ เอฟเฟกต์นี้เรียกว่า ion channeling และเช่นเดียวกับเอฟเฟกต์ที่คล้ายกันทั้งหมด เป็นแบบไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก โดยมีการเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากการวางแนวในอุดมคติซึ่งส่งผลให้เกิดความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความลึกของการฝัง ด้วยเหตุผลนี้ ส่วนใหญ่จะวิ่งออกนอกแกนไม่กี่องศา ซึ่งข้อผิดพลาดในการจัดตำแหน่งเล็กน้อยจะมีผลที่คาดเดาได้มากกว่า