Implantación de iones
Uso de iones para provocar cambios químicos.

Un sistema de implantación de iones en las instalaciones tecnológicas de LAAS en Toulouse, Francia.

La implantación de iones es un proceso de baja temperatura mediante el cual los iones de un elemento se aceleran en un objetivo sólido, modificando así las propiedades físicas, químicas o eléctricas del objetivo. La implantación de iones se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el acabado de metales, así como en la investigación científica de los materiales . Los iones pueden alterar la composición elemental del objetivo (si los iones difieren en composición de la del objetivo) si se detienen y permanecen en el objetivo. La implantación de iones también provoca cambios químicos y físicos cuando los iones inciden en el objetivo a alta energía. La estructura cristalina del objetivo puede resultar dañada o incluso destruida por las cascadas de colisiones energéticas , y los iones de energía suficientemente alta (decenas de MeV) pueden provocar una transmutación nuclear .

Principio general

Configuración de implantación de iones con separador de masa

El equipo de implantación de iones consiste típicamente en una fuente de iones , donde se producen iones del elemento deseado, un acelerador , donde los iones se aceleran electrostáticamente a una alta energía o usando radiofrecuencia, y una cámara objetivo, donde los iones inciden en un objetivo, que es el material que se va a implantar. Por lo tanto, la implantación de iones es un caso especial de radiación de partículas . Cada ion es típicamente un solo átomo o molécula, y por lo tanto la cantidad real de material implantado en el objetivo es la integral en el tiempo de la corriente de iones. Esta cantidad se llama dosis. Las corrientes suministradas por los implantes son típicamente pequeñas (microamperios), y por lo tanto la dosis que se puede implantar en una cantidad de tiempo razonable es pequeña. Por lo tanto, la implantación de iones encuentra aplicación en casos donde la cantidad de cambio químico requerido es pequeña.

Las energías iónicas típicas están en el rango de 10 a 500 keV (1.600 a 80.000 aJ). Se pueden utilizar energías en el rango de 1 a 10 keV (160 a 1.600 aJ), pero dan como resultado una penetración de solo unos pocos nanómetros o menos. Las energías inferiores a esta resultan en muy poco daño al objetivo y caen dentro de la designación de deposición de haz de iones . También se pueden utilizar energías más altas: son comunes los aceleradores capaces de 5 MeV (800.000 aJ). Sin embargo, a menudo hay un gran daño estructural al objetivo y, debido a que la distribución de profundidad es amplia ( pico de Bragg ), el cambio de composición neta en cualquier punto del objetivo será pequeño.

La energía de los iones, así como las especies iónicas y la composición del objetivo determinan la profundidad de penetración de los iones en el sólido: un haz de iones monoenergético generalmente tendrá una amplia distribución de profundidad. La profundidad de penetración promedio se denomina rango de los iones. En circunstancias típicas, los rangos de iones estarán entre 10 nanómetros y 1 micrómetro. Por lo tanto, la implantación de iones es especialmente útil en casos en los que se desea que el cambio químico o estructural se produzca cerca de la superficie del objetivo. Los iones pierden gradualmente su energía a medida que viajan a través del sólido, tanto por colisiones ocasionales con átomos del objetivo (que causan transferencias de energía abruptas) como por un arrastre leve por la superposición de orbitales de electrones, que es un proceso continuo. La pérdida de energía iónica en el objetivo se denomina detención y se puede simular con el método de aproximación de colisión binaria .

Los sistemas aceleradores para implantación de iones se clasifican generalmente en corriente media (corrientes de haz de iones entre 10 μA y ~2 mA), corriente alta (corrientes de haz de iones de hasta ~30 mA), energía alta (energías de iones superiores a 200 keV y hasta 10 MeV) y dosis muy alta (implantación eficiente de dosis superior a 10 16 iones/cm 2 ). [1] [2] [3]

Fuente de iones

Todas las variedades de diseños de líneas de luz de implantación de iones contienen grupos generales de componentes funcionales (ver imagen). El primer segmento principal de una línea de luz de iones incluye una fuente de iones que se utiliza para generar las especies de iones. La fuente está estrechamente acoplada a electrodos polarizados para la extracción de los iones en la línea de luz y, con mayor frecuencia, a algún medio para seleccionar una especie de iones particular para su transporte a la sección principal del acelerador.

La fuente de iones suele estar hecha de materiales con un alto punto de fusión, como el tungsteno, el tungsteno dopado con óxido de lantano, el molibdeno y el tántalo. A menudo, dentro de la fuente de iones se crea un plasma entre dos electrodos de tungsteno, llamados reflectores, utilizando un gas a menudo basado en flúor que contiene el ion que se va a implantar, ya sea germanio , boro o silicio , como el trifluoruro de boro, [4] difluoruro de boro, [5] tetrafluoruro de germanio o tetrafluoruro de silicio. [6] Se puede utilizar gas arsina o gas fosfina en la fuente de iones para proporcionar arsénico o fósforo respectivamente para la implantación. [7] La ​​fuente de iones también tiene un cátodo calentado indirectamente. Alternativamente, este cátodo calentado se puede utilizar como uno de los reflectores, eliminando la necesidad de uno dedicado, [8] [9] [10] o se utiliza un cátodo calentado directamente. [11]

También se pueden utilizar gases basados ​​en oxígeno u óxido como el dióxido de carbono para iones como el carbono . Se puede añadir hidrógeno o hidrógeno con xenón, criptón o argón al plasma para retrasar la degradación de los componentes de tungsteno debido al ciclo del halógeno. [6] [10] [12] [13] El hidrógeno puede provenir de un cilindro de alta presión o de un generador de hidrógeno que utiliza electrólisis. [14] Los repelentes en cada extremo de la fuente de iones mueven continuamente los átomos de un extremo de la fuente de iones al otro, asemejándose a dos espejos apuntados uno hacia el otro que reflejan la luz constantemente. [8]

Los iones se extraen de la fuente mediante un electrodo de extracción fuera de la fuente de iones a través de una abertura en forma de rendija en la fuente, [15] [16] luego el haz de iones pasa a través de un imán de análisis para seleccionar los iones que se implantarán y luego pasa a través de uno o dos [17] aceleradores lineales (linacs) [18] que aceleran los iones antes de que lleguen a la oblea en una cámara de proceso. [18] En los implantadores de iones de corriente media también hay una trampa de iones neutrales antes de la cámara de proceso para eliminar los iones neutrales del haz de iones. [19]

Algunos dopantes como el aluminio, a menudo no se proporcionan a la fuente de iones como un gas sino como un compuesto sólido basado en cloro o yodo que se vaporiza en un crisol cercano como el yoduro de aluminio o el cloruro de aluminio o como un objetivo de pulverización catódica sólida dentro de la fuente de iones hecha de óxido de aluminio o nitruro de aluminio . [14] La implantación de antimonio a menudo requiere el uso de un vaporizador conectado a la fuente de iones, en el que el trifluoruro de antimonio, el trióxido de antimonio o el antimonio sólido se vaporizan en un crisol y se utiliza un gas portador para dirigir los vapores a una fuente de iones adyacente, aunque también se puede implantar a partir de un gas que contenga flúor como el hexafluoruro de antimonio o vaporizarse a partir de pentafluoruro de antimonio líquido. [6] El galio, el selenio y el indio a menudo se implantan a partir de fuentes sólidas como el dióxido de selenio para el selenio, aunque también se puede implantar a partir de seleniuro de hidrógeno. Los crisoles suelen durar entre 60 y 100 horas y evitan que los implantadores de iones cambien las recetas o los parámetros del proceso en menos de 20 o 30 minutos. Las fuentes de iones suelen durar 300 horas. [20] [6]

La selección de la "masa" (al igual que en el espectrómetro de masas ) suele ir acompañada del paso del haz de iones extraído a través de una región de campo magnético con un camino de salida restringido por aberturas de bloqueo, o "rendijas", que permiten que sólo los iones con un valor específico del producto de masa y velocidad/carga continúen por la línea de haz. Si la superficie objetivo es mayor que el diámetro del haz de iones y se desea una distribución uniforme de la dosis implantada sobre la superficie objetivo, se utiliza alguna combinación de escaneo del haz y movimiento de la oblea. Finalmente, la superficie implantada se acopla con algún método para recolectar la carga acumulada de los iones implantados de modo que la dosis administrada se pueda medir de manera continua y el proceso de implantación se detenga en el nivel de dosis deseado. [21]

Aplicación en la fabricación de dispositivos semiconductores.

Dopaje

El dopaje de semiconductores con boro, fósforo o arsénico es una aplicación común de la implantación de iones. Cuando se implanta en un semiconductor, cada átomo dopante puede crear un portador de carga en el semiconductor después del recocido . Se puede crear un agujero para un dopante de tipo p y un electrón para un dopante de tipo n . Esto modifica la conductividad del semiconductor en su vecindad. La técnica se utiliza, por ejemplo, para ajustar el voltaje umbral de un MOSFET . La implantación de iones es práctica debido a la alta sensibilidad de los dispositivos semiconductores a los átomos extraños, ya que la implantación de iones no deposita grandes cantidades de átomos. [2] A veces, como durante la fabricación de dispositivos de SiC, la implantación de iones se lleva a cabo mientras se calienta la oblea de SiC a 500 °C. [22] Esto se conoce como implante caliente y se utiliza para controlar el daño a la superficie del semiconductor. [23] [24] [25] Los implantes criogénicos (crioimplantes) pueden tener el mismo efecto. [26]

Las energías utilizadas en el dopaje varían a menudo de 1 KeV a 3 MeV y no es posible construir un implantador de iones capaz de proporcionar iones a cualquier energía debido a limitaciones físicas. Para aumentar el rendimiento de los implantadores de iones, se han hecho esfuerzos para aumentar la corriente del haz creado por el implantador. [2] El haz se puede escanear a través de la oblea de forma magnética, electrostática [27] , mecánica o con una combinación de estas técnicas. [28] [29] [30] Se utiliza un imán analizador de masas para seleccionar los iones que se implantarán en la oblea. [31] La implantación de iones también se utiliza en pantallas que contienen transistores LTPS. [18]

La implantación de iones se desarrolló como un método para producir la unión pn de los dispositivos fotovoltaicos a finales de los años 1970 y principios de los años 1980, [32] junto con el uso de un haz de electrones pulsados ​​para el recocido rápido, [33] aunque hasta la fecha el haz de electrones pulsados ​​para el recocido rápido no se ha utilizado para la producción comercial. La implantación de iones no se utiliza en la mayoría de las células fotovoltaicas de silicio, en su lugar, se utiliza el dopaje por difusión térmica. [34]

Silicio sobre aislante

Un método destacado para preparar sustratos de silicio sobre aislante (SOI) a partir de sustratos de silicio convencionales es el proceso SIMOX (separación por implantación de oxígeno), en el que un implante de oxígeno de alta dosis enterrado se convierte en óxido de silicio mediante un proceso de recocido a alta temperatura .

Mesotaxia

La mesotaxia es el término que designa el crecimiento de una fase cristalográficamente coincidente debajo de la superficie del cristal anfitrión (compárese con la epitaxia , que es el crecimiento de la fase coincidente en la superficie de un sustrato). En este proceso, los iones se implantan a una energía y una dosis suficientemente altas en un material para crear una capa de una segunda fase, y la temperatura se controla de modo que no se destruya la estructura cristalina del objetivo. La orientación cristalina de la capa se puede diseñar para que coincida con la del objetivo, aunque la estructura cristalina exacta y la constante reticular pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, después de la implantación de iones de níquel en una oblea de silicio, se puede cultivar una capa de siliciuro de níquel en la que la orientación cristalina del siliciuro coincida con la del silicio.

Aplicación en el acabado de metales.

Endurecimiento del acero para herramientas

Se puede implantar nitrógeno u otros iones en un objetivo de acero para herramientas (por ejemplo, brocas). El cambio estructural causado por la implantación produce una compresión superficial en el acero, lo que evita la propagación de grietas y, por lo tanto, hace que el material sea más resistente a la fractura. El cambio químico también puede hacer que la herramienta sea más resistente a la corrosión .

Acabado de superficies

En algunas aplicaciones, por ejemplo, en dispositivos protésicos como articulaciones artificiales, se desea que las superficies sean muy resistentes tanto a la corrosión química como al desgaste debido a la fricción. En estos casos, se utiliza la implantación de iones para diseñar las superficies de dichos dispositivos para que tengan un rendimiento más fiable. Como en el caso de los aceros para herramientas, la modificación de la superficie causada por la implantación de iones incluye tanto una compresión de la superficie que evita la propagación de grietas como una aleación de la superficie para hacerla más resistente químicamente a la corrosión.

Otras aplicaciones

Mezcla de haces de iones

La implantación de iones se puede utilizar para lograr la mezcla de haces de iones , es decir, mezclar átomos de diferentes elementos en una interfaz. Esto puede ser útil para lograr interfaces graduadas o fortalecer la adhesión entre capas de materiales inmiscibles.

Inducción de implantación de ionesnanopartículaformación

La implantación de iones se puede utilizar para inducir partículas nanodimensionales en óxidos como el zafiro y la sílice . Las partículas se pueden formar como resultado de la precipitación de las especies implantadas de iones, se pueden formar como resultado de la producción de una especie de óxido mixto que contiene tanto el elemento implantado de iones como el sustrato de óxido, y se pueden formar como resultado de una reducción del sustrato, reportada por primera vez por Hunt y Hampikian. [35] [36] [37] Las energías típicas del haz de iones utilizadas para producir nanopartículas varían de 50 a 150 keV, con fluencias de iones que varían de 10 16 a 10 18 iones/cm 2 . [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] La siguiente tabla resume algunos de los trabajos que se han realizado en este campo para un sustrato de zafiro. Se puede formar una amplia variedad de nanopartículas, con rangos de tamaño desde 1 nm hasta 20 nm y con composiciones que pueden contener las especies implantadas, combinaciones del ion implantado y el sustrato, o que estén compuestas únicamente por el catión asociado al sustrato.

Los materiales compuestos basados ​​en dieléctricos como el zafiro que contienen nanopartículas metálicas dispersas son materiales prometedores para la optoelectrónica y la óptica no lineal . [42]

Especies implantadasSustratoEnergía del haz de iones (keV)Fluencia (iones/ cm2 )Tratamiento térmico post implantaciónResultadoFuente
Produce óxidos que contienen el ion implantadoCoAl2O3​​​655*10 17Recocido a 1400 °CForma Al2CoO4 espinela​​[38]
Coα - Al2O3​1502*10 17Recocido a 1000 °C en ambiente oxidanteForma Al2CoO4 espinela​​[39]
MgAl2O3​​​1505*10 16---Forma plaquetas de MgAl2O4​[35]
Snα - Al2O3​601*10 17Recocido en atmósfera de O 2 a 1000 °C durante 1 horaSe forman nanopartículas de SnO 2 de 30 nm[46]
Zincα - Al2O3​481*10 17Recocido en atmósfera de O 2 a 600 °CLas nanopartículas de ZnO se forman[40]
ZrAl2O3​​​655*10 17Recocido a 1400 °CSe forman precipitados de ZrO 2[38]
Produce nanopartículas metálicas a partir de especies implantadasAgα - Al2O3​1500, 20002*10 16 , 8*10 16Recocido de 600 °C a 1100 °C en atmósferas oxidantes, reductoras, Ar o N 2Nanopartículas de Ag en matriz de Al2O3[41]
Auα - Al2O3​1600,6*10 17 , 1*10 161 hora a 800 °C en el aireNanopartículas de Au en matriz de Al2O3[42]
Auα - Al2O3​1500, 20002*10 16 , 8*10 16Recocido de 600 °C a 1100 °C en atmósferas oxidantes, reductoras, Ar o N 2Nanopartículas de Au en matriz de Al2O3[41]
Coα - Al2O3​150<5*10 16Recocido a 1000 °CNanopartículas de Co en matriz de Al2O3[39]
Coα - Al2O3​1502*10 17Recocido a 1000 °C en ambiente reductorPrecipitación de Co metálico[39]
Féα - Al2O3​1601*10 16 a 2*10 17Recocido durante 1 hora desde 700 °C hasta 1500 °C en ambiente reductorNanocompuestos de Fe[43]
Niα - Al2O3​641*10 17---Nanopartículas de níquel de 1-5 nm[44]
Siα - Al2O3​502*10 16 , 8*10 16Recocido a 500 °C o 1000 °C durante 30 min.Nanopartículas de Si en Al2O3[45]
Snα - Al2O3​601*10 17---Nanopartículas tetragonales de estaño de 15 nm[46]
Síα - Al2O3​100<5*10 16Recocido a 1000 °CNanopartículas de Ti en Al2O3[39]
Produce nanopartículas metálicas a partir del sustratoCaliforniaAl2O3​​​1505*10 16---Nanopartículas de Al en matriz amorfa que contienen Al2O3 y CaO[35]
YAl2O3​​​1505*10 16---Partículas de Al de 10,7 ± 1,8 nm en una matriz amorfa que contiene Al 2 O 3 e Y 2 O 3[35]
YAl2O3​​​1502,5 x 10 16---Partículas de Al de 9,0 ± 1,2 nm en una matriz amorfa que contiene Al 2 O 3 e Y 2 O 3[36]

Problemas con la implantación de iones

Daño cristalográfico

Cada ion individual produce muchos defectos puntuales en el cristal objetivo al impactar, como vacantes e intersticiales. Las vacantes son puntos de la red cristalina desocupados por un átomo: en este caso, el ion choca con un átomo objetivo, lo que da como resultado la transferencia de una cantidad significativa de energía al átomo objetivo de modo que abandona su sitio cristalino. Este átomo objetivo se convierte entonces en un proyectil en el sólido y puede causar eventos de colisión sucesivos . Los intersticiales resultan cuando dichos átomos (o el propio ion original) se quedan en reposo en el sólido, pero no encuentran un espacio vacante en la red para residir. Estos defectos puntuales pueden migrar y agruparse entre sí, lo que da como resultado bucles de dislocación y otros defectos.

Recuperación de daños

Debido a que la implantación de iones causa daños a la estructura cristalina del objetivo, lo cual suele ser indeseado, el proceso de implantación de iones suele ir seguido de un recocido térmico, lo que puede denominarse recuperación de daños.

Amorfización

La cantidad de daño cristalográfico puede ser suficiente para amorfizar completamente la superficie del objetivo: es decir, puede convertirse en un sólido amorfo (un sólido de este tipo producido a partir de una masa fundida se denomina vidrio ). En algunos casos, la amorfización completa de un objetivo es preferible a un cristal altamente defectuoso: una película amorfizada se puede regenerar a una temperatura más baja que la requerida para recocer un cristal altamente dañado. La amorfización del sustrato puede ocurrir como resultado del daño del haz. Por ejemplo, la implantación de iones de itrio en zafiro a una energía de haz de iones de 150 keV a una fluencia de 5*10 16 Y + /cm 2 produce una capa vítrea amorfa de aproximadamente 110 nm de espesor, medida desde la superficie exterior. [Hunt, 1999]

Chisporroteo

Algunas de las colisiones dan como resultado la expulsión de átomos de la superficie y, por lo tanto, la implantación de iones erosionará lentamente la superficie. El efecto solo es apreciable en dosis muy altas.

Canalización iónica

Un cristal cúbico de diamante visto desde la dirección <110> , que muestra canales iónicos hexagonales.

Si existe una estructura cristalográfica en el objetivo, y especialmente en sustratos semiconductores donde la estructura cristalina es más abierta, determinadas direcciones cristalográficas ofrecen una parada mucho menor que otras direcciones. El resultado es que el rango de un ion puede ser mucho mayor si el ion viaja exactamente a lo largo de una dirección particular, por ejemplo la dirección <110> en silicio y otros materiales cúbicos de diamante . [47] Este efecto se denomina canalización iónica y, como todos los efectos de canalización , es altamente no lineal, con pequeñas variaciones de la orientación perfecta que resultan en diferencias extremas en la profundidad de implantación. Por esta razón, la mayoría de las implantaciones se llevan a cabo unos pocos grados fuera del eje, donde pequeños errores de alineación tendrán efectos más predecibles.

La canalización de iones se puede utilizar directamente en la retrodispersión de Rutherford y técnicas relacionadas como método analítico para determinar la cantidad y el perfil de profundidad del daño en materiales de película delgada cristalinos.

Seguridad

Materiales peligrosos

En la fabricación de obleas , se utilizan a menudo materiales tóxicos como la arsina y la fosfina en el proceso de implantación de iones. Otros elementos cancerígenos , corrosivos , inflamables o tóxicos habituales son el antimonio , el arsénico , el fósforo y el boro . Las instalaciones de fabricación de semiconductores están muy automatizadas, pero pueden encontrarse residuos de elementos peligrosos en las máquinas durante el mantenimiento y en el hardware de las bombas de vacío .

Altos voltajes y aceleradores de partículas

Las fuentes de alimentación de alto voltaje que se utilizan en los aceleradores de iones necesarios para la implantación de iones pueden suponer un riesgo de lesión eléctrica . Además, las colisiones atómicas de alta energía pueden generar rayos X y, en algunos casos, otras radiaciones ionizantes y radionucleidos . Además del alto voltaje, los aceleradores de partículas , como los aceleradores de partículas lineales de radiofrecuencia y los aceleradores de plasma de Wakefield láser, presentan otros peligros.

Véase también

Referencias

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