השתלת יונים: מושג, עקרון הפעולה, שיטות, מטרה ויישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

השתלת יונים היא תהליך בטמפרטורה נמוכה שבאמצעותו מרכיבים של אלמנט בודד מואצים אל פני השטח המוצקים של רקיק, ובכך משנים את התכונות הפיזיקליות, הכימיות או החשמליות שלו. שיטה זו משמשת בייצור התקני מוליכים למחצה ובגימור מתכת, כמו גם במחקר מדעי החומרים. רכיבים יכולים לשנות את הרכב היסודות של הצלחת אם הם נעצרים ונשארים בה. השתלת יונים גורמת גם לשינויים כימיים ופיזיקליים כאשר אטומים מתנגשים במטרה באנרגיה גבוהה. המבנה הגבישי של הלוח יכול להינזק או אפילו להיהרס על ידי מפלי אנרגיה של התנגשויות, וחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מספיק (10 MeV) יכולים לגרום להתמרה גרעינית.

עקרון כללי של השתלת יונים

ציוד מורכב בדרך כלל ממקור שבו נוצרים אטומים של היסוד הרצוי, מאיץ שבו הם מואצים אלקטרוסטטית לרמה גבוההאנרגיה, ותאי מטרה שבהם הם מתנגשים במטרה, שהיא החומר. לפיכך, תהליך זה הוא מקרה מיוחד של קרינת חלקיקים. כל יון הוא בדרך כלל אטום או מולקולה בודדים, ולפיכך כמות החומר האמיתית המושתלת במטרה היא אינטגרל הזמן של זרם היונים. מספר זה נקרא המינון. הזרמים שמספקים שתלים הם לרוב קטנים (מיקרואמפר) ולכן הכמות שניתן להשתיל בפרק זמן סביר קטנה. לכן, נעשה שימוש בהשתלת יונים במקרים בהם מספר השינויים הכימיים הנדרשים הוא קטן.

אנרגיות יונים טיפוסיות נעות בין 10 ל-500 keV (1600 עד 80000 aJ). ניתן להשתמש בהשתלת יונים באנרגיות נמוכות בטווח של 1 עד 10 keV (160 עד 1600 aJ), אך החדירה היא רק כמה ננומטרים או פחות. כוח מתחת לזה גורם לנזק קטן מאוד למטרה ונופל תחת הכינוי של שקיעת אלומת יונים. וניתן להשתמש גם באנרגיות גבוהות יותר: מאיצים המסוגלים ל-5 MeV (800,000 aJ) נפוצים. עם זאת, לעיתים קרובות יש נזק מבני רב למטרה, ומכיוון שהתפלגות העומק רחבה (שיא בראג), השינוי נטו בהרכב בכל נקודה על המטרה יהיה קטן.

האנרגיה של היונים, כמו גם סוגים שונים של אטומים והרכב המטרה, קובעים את עומק החדירה של חלקיקים למוצק. לקרן יונים מונואנרגטית יש בדרך כלל פיזור עומק רחב. החדירה הממוצעת נקראת הטווח. בְּבתנאים טיפוסיים זה יהיה בין 10 ננומטר ל-1 מיקרומטר. לפיכך, השתלת יונים באנרגיה נמוכה שימושית במיוחד במקרים בהם רצוי שהשינוי הכימי או המבני יהיה ליד משטח המטרה. חלקיקים מאבדים בהדרגה את האנרגיה שלהם כשהם עוברים דרך מוצק, הן מהתנגשויות אקראיות עם אטומי מטרה (שגורמות להעברת אנרגיה פתאומית) והן מהאטה קלה מחפיפה של אורביטלים אלקטרונים, שהיא תהליך מתמשך. אובדן האנרגיה של יונים במטרה נקרא עמידה וניתן לעצב אותו באמצעות שיטת השתלת יונים של קירוב ההתנגשות הבינארית.

מערכות האצה מסווגות בדרך כלל לזרם בינוני, זרם גבוה, אנרגיה גבוהה ומינון משמעותי מאוד.

כל הזנים של עיצובי אלומת השתלת יונים מכילים קבוצות נפוצות מסוימות של רכיבים פונקציונליים. שקול דוגמאות. היסודות הפיזיים והפיזי-כימיים הראשונים של השתלת יונים כוללים מכשיר הידוע כמקור לייצור חלקיקים. מכשיר זה קשור קשר הדוק לאלקטרודות מוטות לחילוץ אטומים לקו הקרן ולרוב עם אמצעים מסוימים לבחירת מצבים ספציפיים להובלה אל החלק הראשי של המאיץ. בחירת ה"מסה" מלווה לרוב במעבר של אלומת היונים המופקת דרך אזור של שדה מגנטי עם נתיב יציאה מוגבל על ידי חסימת חורים או "חריצים" המאפשרים רק יונים בעלי ערך מסוים של מכפלת המסה והמהירות. אם משטח המטרה גדול מקוטר קרן היונים ואם המינון המושתל מחולק באופן שווה יותר מעליו, אז נעשה שימוש בשילוב כלשהו של סריקת קרן ותנועת לוח. לבסוף, המטרה מחוברת לדרך כלשהי לאיסוף המטען המצטבר של היונים המושתלים, כך שניתן למדוד את המינון הנמסר ברציפות ולהפסיק את התהליך ברמה הרצויה.

יישום בייצור מוליכים למחצה

סימום עם בורון, זרחן או ארסן הוא יישום נפוץ של תהליך זה. בהשתלת יונים של מוליכים למחצה, כל אטום דופנט יכול ליצור נושא מטען לאחר חישול. אתה יכול לבנות חור עבור דופן מסוג p ואלקטרון מסוג n. זה משנה את המוליכות של המוליך למחצה בסביבתו. הטכניקה משמשת, למשל, כדי להתאים את הסף של MOSFET.

השתלת יונים פותחה כשיטה להשגת צומת pn במכשירים פוטו-וולטאיים בסוף שנות ה-70 ותחילת שנות ה-80, יחד עם שימוש בקרן אלקטרונים פועמת לצורך חישול מהיר, אם כי עד היום היא לא ממוסחרת.

סיליקון על מבודד

אחת השיטות הידועות לייצור חומר זה על מצעי מבודדים (SOI) ממצעי סיליקון קונבנציונליים היא תהליך ה-SIMOX (הפרדה באמצעות השתלת חמצן), שבו אוויר במינון גבוה הופך לתחמוצת סיליקון באמצעות תהליך חישול בטמפרטורה גבוהה.

Mesotaxy

זהו המונח לצמיחה קריסטלוגרפיתשלב חופף מתחת לפני השטח של הגביש הראשי. בתהליך זה, יונים מושתלים באנרגיה ובמינון גבוהים מספיק לתוך החומר כדי ליצור שכבת שלב שני, והטמפרטורה נשלטת כך שמבנה המטרה לא ייהרס. ניתן לעצב את כיוון הגביש של השכבה כך שתתאים למטרה, גם אם קבוע הסריג המדויק יכול להיות שונה מאוד. לדוגמה, לאחר השתלת יוני ניקל לתוך פרוסת סיליקון, ניתן לגדל שכבת סיליקיד שבה כיוון הגביש מתאים לאלו של סיליקון.

יישום גימור מתכת

ניתן להשתיל חנקן או יונים אחרים במטרה מפלדת כלי (כגון מקדחה). השינוי המבני גורם לדחיסת פני השטח בחומר, מה שמונע התפשטות סדק ובכך הופך אותו לעמיד יותר בפני שברים.

גימור פני השטח

ביישומים מסוימים, למשל עבור תותבות כגון מפרקים מלאכותיים, רצוי שתהיה מטרה בעלת עמידות גבוהה הן בפני קורוזיה כימית והן בפני בלאי עקב חיכוך. השתלת יונים משמשת לתכנון משטחים של מכשירים כאלה לביצועים אמינים יותר. בדומה לפלדות כלי עבודה, שינוי מטרה הנגרם על ידי השתלת יונים כולל הן דחיסת פני השטח למניעת התפשטות הסדקים והן סגסוגת כדי להפוך אותו לעמיד יותר מבחינה כימית בפני קורוזיה.

אחריישומים

ניתן להשתמש בהשתלה כדי להשיג ערבוב של קרני יונים, כלומר מיזוג של אטומים של יסודות שונים בממשק. זה יכול להיות שימושי להשגת משטחים מדורגים או לשיפור ההידבקות בין שכבות של חומרים בלתי ניתנים לערבב.

היווצרות ננו-חלקיקים

השתלת יונים יכולה לשמש להשראת חומרים ננומטריים בתחמוצות כגון ספיר וסיליקון דו חמצני. אטומים יכולים להיווצר כתוצאה ממשקעים או היווצרות חומרים מעורבים המכילים גם יסוד מושתל יונים וגם מצע.

אנרגיות קרן יונים טיפוסיות המשמשות להשגת ננו-חלקיקים הן בטווח שבין 50 ל-150 keV, ושטף היונים הוא בין 10-16 ל-10-18 קילוואט. ראה מגוון רחב של חומרים יכול להיווצר בגדלים מ-1 ננומטר עד 20 ננומטר ועם קומפוזיציות שיכולות להכיל חלקיקים מושתלים, שילובים המורכבים אך ורק מקטיון הקשור למצע.

חומרים המבוססים על דיאלקטרי כגון ספיר, המכילים ננו-חלקיקים מפוזרים של השתלת יוני מתכת, הם חומרים מבטיחים עבור אופטו-אלקטרוניקה ואופטיקה לא ליניארית.

בעיות

כל יון אינדיבידואלי מייצר פגמים נקודתיים רבים בגביש המטרה בעת פגיעה או ביניים. מקומות פנויים הם נקודות סריג שאינן תפוסות על ידי אטום: במקרה זה, היון מתנגש באטום המטרה, מה שמוביל להעברת כמות משמעותית של אנרגיה אליו, כך שהוא עוזבעלילה. חפץ מטרה זה הופך בעצמו לטיל בגוף מוצק ויכול לגרום להתנגשויות עוקבות. רווחים מתרחשים כאשר חלקיקים כאלה נעצרים במוצק אך אינם מוצאים מקום פנוי בסריג לחיות בו. פגמים נקודתיים אלה במהלך השתלת יונים עלולים לנדוד ולהצטבר אחד עם השני, מה שמוביל להיווצרות לולאות נקע ובעיות אחרות.

Amorphization

כמות הנזק הקריסטלוגרפי עשויה להספיק כדי להעביר לחלוטין את משטח המטרה, כלומר, הוא חייב להפוך למוצק אמורפי. במקרים מסוימים, האמורפיזציה המלאה של המטרה עדיפה על גביש עם רמה גבוהה של פגמים: סרט כזה יכול לצמוח מחדש בטמפרטורה נמוכה מזו הנדרשת עבור חישול גביש פגום קשות. האמורפיזציה של המצע יכולה להתרחש כתוצאה משינויי קרן. לדוגמה, כאשר משתילים יוני איטריום לתוך ספיר באנרגיית קרן של 150 keV עד לשטף של 510-16 Y+/sq. ס מ, נוצרת שכבת זגוגית בעובי של כ-110 ננומטר, נמדדת מהמשטח החיצוני.

Spray

חלק מאירועי ההתנגשות גורמים לאטומים להיפלט מהמשטח, וכך השתלת יונים תחרוט לאט את פני השטח. ההשפעה ניכרת רק במינונים גדולים מאוד.

ערוץ יון

אם מיושם מבנה קריסטלוגרפי על המטרה, במיוחד במצעי מוליכים למחצה שבהם הוא יותרפתוח, אז כיוונים ספציפיים עוצרים הרבה פחות מאחרים. התוצאה היא שהטווח של יון יכול להיות הרבה יותר גדול אם הוא נע בדיוק לאורך נתיב מסוים, כמו בסיליקון וחומרים מעוקבים אחרים של יהלום. אפקט זה נקרא תעלת יונים, וכמו כל ההשפעות הדומות, הוא מאוד לא ליניארי, עם סטיות קטנות מהכיוון האידיאלי וכתוצאה מכך הבדלים משמעותיים בעומק ההשתלה. מסיבה זו, רובם פועלים בכמה מעלות מחוץ לציר, שם לשגיאות יישור זעירות יהיו השפעות צפויות יותר.