Implantación de iones
La implantación de iones es un método para introducir átomos de impurezas (implantes) en la capa superficial de un material, por ejemplo, una oblea semiconductora o una película epitaxial , bombardeando su superficie con un haz de iones de alta energía ( 10–2000 keV ).
Es ampliamente utilizado en la creación de dispositivos semiconductores utilizando la tecnología planar . En esta capacidad, se utiliza para formar regiones que contienen impurezas donantes o aceptoras en la capa cercana a la superficie de un semiconductor para crear uniones pn y heterouniones , así como contactos de baja resistencia.
La implantación de iones también se utiliza como método de aleación de metales para cambiar sus propiedades físicas y químicas (aumento de la dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, etc.).
La implantación de iones en materiales de superconductores de alta temperatura de la familia , un metal de tierras raras , se utiliza para crear centros de pinning que aumentan la densidad de corriente crítica.
Cómo funciona
Los componentes principales de una configuración de haz de iones son una fuente de iones , un acelerador de iones, un separador magnético que funciona según el principio de un espectrógrafo de masas , un sistema de exploración de haz de iones y una cámara en la que se encuentra la muestra irradiada.
Los iones del material implantado son acelerados en el acelerador por el campo electrostático y bombardean la muestra.
Los iones se aceleran a energías de 10-5000 keV . La profundidad de penetración de los iones en el espesor de la muestra depende de su energía y oscila entre varios nanómetros y varios micrómetros.
Los iones con una energía de 1-10 keV no causan cambios en la estructura de la muestra, mientras que los flujos de iones con mayor energía pueden destruir significativamente la estructura cristalina hasta la destrucción completa de la estructura cristalina y la transición a un estado amorfo .
La tecnología de implantación de iones garantiza la introducción de una cantidad dada de casi cualquier elemento químico a una profundidad superficial determinada, lo que hace posible crear una aleación de metales que no se mezclan en estado fundido, o alear una sustancia con otra con una concentración que no se puede lograr incluso cuando se utilizan altas temperaturas.
También es posible crear sistemas compuestos con estructuras y propiedades únicas que sean significativamente diferentes de las propiedades del material de la parte principal.
La introducción de un implante en la red cristalina principal del material es posible sin "observar" las leyes de la termodinámica, que determinan los procesos de equilibrio, por ejemplo, los procesos de difusión y solubilidad mutua.
La implantación de iones conduce a un cambio significativo en las propiedades de la superficie en profundidad:
- una capa con una composición química modificada de hasta 1–9 µm ;
- una capa con una estructura de dislocación modificada de hasta 100 µm .
Al chocar con los electrones y núcleos de la superficie tratada, los iones de la sustancia de aleación a cierta profundidad pierden energía y se detienen. Si se conocen el tipo y la energía de los iones y las propiedades del material a procesar, se puede calcular la profundidad de penetración de los iones (o la longitud media del camino) y la distribución de la longitud del camino. Para haces de iones con energías típicas de hasta 500 keV , el rango alcanza hasta 1 μm .
Debido a la influencia de un gran número de factores, el perfil de distribución de la sustancia introducida en la superficie tiene una forma cercana a la distribución de Gauss , pero de hecho se observan desviaciones de la distribución normal, en particular, la concentración del implante es aumentado con respecto a la distribución normal hacia la superficie.
La introducción de iones en la red cristalina del material procesado conduce a la aparición de defectos en la estructura cristalina. Los átomos de la sustancia irradiada eliminados de los sitios de la red conducen a la formación de vacantes y defectos en la estructura cristalina. Los átomos del implante forman defectos intersticiales. La totalidad de tales defectos forma dislocaciones y grupos completos de dislocaciones [1] . Para reducir la concentración de dislocaciones después de la implantación de iones , se utiliza recocido .
Aplicaciones en la industria electrónica
Dopaje de semiconductores
El dopaje iónico se usa ampliamente en la creación de microchips LSI y VLSI. En comparación con la difusión , permite la creación de capas dopadas con dimensiones submicrónicas a lo largo de la superficie sin el uso de una máscara y un espesor de capa dopada de menos de 0,1 µm con una alta reproducibilidad del perfil de concentración de dopaje.
Los iones de los elementos generalmente utilizados para crear conductividad de impurezas, penetrando en un cristal semiconductor, ocupan la posición de los átomos de sustitución en su red y crean el tipo de conductividad correspondiente. Al introducir iones del grupo III y V en un solo cristal de silicio, es posible obtener una unión pn en cualquier parte de la superficie y en cualquier área del cristal.
La posibilidad de dopar semiconductores con boro , fósforo , arsénico dentro del semiconductor, en contraste con los métodos de difusión de dopaje desde la superficie, es la ventaja más importante de la implantación de iones. Este proceso de aleación se considera uno de los métodos de aleación más limpios. El ion implantado crea un átomo de impureza donante o aceptor en el semiconductor , dando al semiconductor un tipo de conductividad electrónica o de hueco.
También es posible crear una capa dieléctrica aislante en la superficie de silicio. En este caso, se utiliza la implantación de iones de oxígeno , los iones de oxígeno implantados oxidan el silicio a dióxido de silicio , que es un excelente aislante. Después de la introducción de iones de oxígeno, es necesario realizar un recocido. Este proceso se denomina SIMOX ( Separation by IMplantation of OXygen - aislamiento por oxígeno implantado).
Mesotaxia
La mesotaxia es un proceso similar a la epitaxia . En el proceso de mesotaxia, se produce el crecimiento de una heteroestructura, consistente con los parámetros de la red cristalina del sustrato, desde la superficie hacia la capa semiconductora mediante la implantación de iones y la elección de la temperatura deseada.
Otros usos
Para obtener fullerenos y nanotubos llenos de material conductor o superconductor, se puede utilizar la implantación iónica de partículas en nanoestructuras de carbono [2] .
Aplicaciones en metalurgia
Los iones de nitrógeno se utilizan para endurecer la superficie de las herramientas de corte de acero ( fresas , taladros, etc.).
La implantación de estos iones evita la formación de grietas en la superficie metálica y mejora las propiedades de corrosión y fricción del acero. Las últimas propiedades son importantes en medicina en la fabricación de prótesis, en aeronáutica y ciencia espacial.
Suele recurrirse a la implantación simultánea de iones de diferentes átomos. Esto es importante cuando es necesario crear adherencia entre materiales que por su naturaleza no adhieren bien.
Ahora, la tecnología de implantación de iones hace posible procesar palas de trabajo de turbinas de vapor de hasta 1700 mm de tamaño [1] .
Esto aumenta:
- límite de fatiga en un 7-25% ;
- durabilidad más de 20 veces ;
- fuerza adhesiva de los recubrimientos posteriores.
Al aplicar recubrimientos protectores a las palas de las turbinas hechas de aleaciones resistentes al calor , se logra un aumento:
- resistencia al calor por 2,5 veces ;
- resistencia a la corrosión 1,9 veces ;
- fuerza a largo plazo por 1.6 veces ;
- Resistencia a la fatiga en 1,2 veces .
Además, la implantación de iones se utiliza como uno de los métodos para impartir una estructura amorfa a la capa superficial de un metal [3] .
Algunos fabricantes de equipos de implantación de iones
- Tecnología avanzada de haz de iones
- Tecnologías Axcelis
- Iones completos
- Centro de Facilitación de Tecnologías de Plasma Industrial
- Tecnologías globales, equipos de I+D y servicio
- Servicios de haz de iones
- Equipo de iones Nissin
- SemEquip
- SEN Corporación
- Tokio Electron Limited
- Tecnologías Ulvac
- Equipos de semiconductores de Varian
Notas
- ↑ 1 2 NPP UAST - Altas tecnologías - Implantación de iones . Fecha de acceso: 8 de mayo de 2010. Archivado desde el original el 6 de enero de 2011.
- ↑ Implantación de iones: nuevas posibilidades del conocido método Copia de archivo fechada el 9 de junio de 2011 en Wayback Machine - Izvestiya OrelGTU. 2003. Nº 1-2.
- ↑ Pozdnyakov V. A. Ciencia de materiales físicos de materiales nanoestructurados. (capítulo Obtención de un estado amorfo a partir de un estado sólido cristalino)
Véase también
- fuente de iones
- Dopaje por transmutación de neutrones
- Fotoprotector
- Haz de iones enfocable
- Implantación de iones de inmersión en plasma
- Análisis de haz de iones
Literatura
- Rissel H., Ruge I. Implantación de iones. — M .: Nauka, 1983.
- Meyer J., Erickson L., Davis J. Dopaje iónico de semiconductores (silicio y germanio). - M. : Mir, 1973. - 296 p.
- Komarov F. F., Novikov A. P., Burenkov A. F. Implantación de iones. - Minsk: Universitetskaya, 1994. - 303 p. - ISBN 985-09-0036-9 .
- Abroyan I. A., Andronov A. N., Titov A. I. Fundamentos físicos de la tecnología electrónica e iónica. - M. : Escuela Superior, 1984. - 320 p.
- Zorin E.I., Pavlov P.V., Tetelbaum D.I. Dopaje iónico de semiconductores. - M. : Energía, 1975. - 128 p.
- Pranevičius L., Dudonis J. Modificación de propiedades de sólidos por haces de iones. - Vilnius: Mokslas, 1980. - 242 p.
- Gabovich MD Física y tecnología de fuentes de plasma de iones. — M .: Atomizdat, 1972. — 304 p.
- Tecnología del dopaje iónico / Ed. S. Namba / Traducido del japonés. - M . : Sov. radiofónica, 1974. - 160 págs.
- Valiev, K. A.; Rakov, A. V. Fundamentos físicos de la litografía submicrónica en microelectrónica. - M. : Nauka, 1984. - 352 p.
- Instalaciones de haz de iones Popov VF . - L. : Energoizdat, 1981. - 136 p.
- Broday I., Merey J. Fundamentos físicos de la microtecnología. — M .: Mir, 1985. — 496 p. — ISBN 200002876210.
- Popov VF, Gorin Yu. N. Procesos e instalaciones de tecnología de iones de electrones. - M. : Escuela superior, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .
- Vinogradov MI, Maishev Yu. P. Procesos y equipos de vacío para tecnología de haces de iones y electrones. - M. : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .
Enlaces
- Implantación de iones - Diccionario de términos nanotecnológicos
- Implantación de iones - portal federal de Internet " Nanotecnologías y nanomateriales"
- Implantación de iones - conferencia (Prof. I. N. Beckman, Universidad Estatal de Moscú, 2006)
- Editor en jefe A. M. Prokhorov. Implantación de iones // Enciclopedia física. En 5 tomos. - Enciclopedia soviética . - M. , 1988. - Enciclopedia Física. — M.: Enciclopedia soviética. 1988.
- Implantación de iones de impurezas en monocristales de silicio: eficiencia del método y violaciones de la radiación : Avances en las ciencias físicas, No. 3, 1995
- Dopaje iónico de semiconductores - Boletín de la Academia Rusa de Ciencias No. 8, 1972.
- SEMI (ing.) - el sitio de la asociación de fabricantes de equipos y materiales para tecnologías de semiconductores
- Implantación de iones : una selección de enlaces (ing.)
- El código de James Ziegler para simular la implantación de iones
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