Implantação iónica - Ion implantation
A implantação de íons é um processo de baixa temperatura pelo qual os íons de um elemento são acelerados em um alvo sólido, alterando assim as propriedades físicas, químicas ou elétricas do alvo. A implantação de íons é usada na fabricação de dispositivos semicondutores e no acabamento de metais, bem como na pesquisa da ciência dos materiais . Os íons podem alterar a composição elementar do alvo (se os íons diferirem em composição do alvo) se eles pararem e permanecerem no alvo. A implantação de íons também causa mudanças químicas e físicas quando os íons colidem com o alvo em alta energia. A estrutura cristalina do alvo pode ser danificada ou mesmo destruída pelas cascatas de colisão energética , e íons de energia suficientemente alta (10s de MeV) podem causar transmutação nuclear .
Princípio geral
O equipamento de implantação de íons normalmente consiste em uma fonte de íons , onde os íons do elemento desejado são produzidos, um acelerador , onde os íons são eletrostaticamente acelerados para uma alta energia, e uma câmara alvo, onde os íons colidem com um alvo, que é o material a ser implantado. Assim, a implantação de íons é um caso especial de radiação de partículas . Cada íon é normalmente um único átomo ou molécula e, portanto, a quantidade real de material implantado no alvo é a integral ao longo do tempo da corrente de íons. Essa quantidade é chamada de dose. As correntes fornecidas pelos implantes são tipicamente pequenas (microamperes) e, portanto, a dose que pode ser implantada em um período de tempo razoável é pequena. Portanto, a implantação de íons encontra aplicação em casos onde a quantidade de mudança química necessária é pequena.
As energias iônicas típicas estão na faixa de 10 a 500 keV (1.600 a 80.000 aJ). Energias na faixa de 1 a 10 keV (160 a 1.600 aJ) podem ser usadas, mas resultam em uma penetração de apenas alguns nanômetros ou menos. Energias inferiores a isso resultam em muito pouco dano ao alvo e caem sob a designação de deposição de feixe de íons . Energias mais altas também podem ser usadas: aceleradores capazes de 5 MeV (800.000 aJ) são comuns. No entanto, geralmente há grandes danos estruturais ao alvo e, como a distribuição de profundidade é ampla ( pico de Bragg ), a alteração da composição líquida em qualquer ponto do alvo será pequena.
A energia dos íons, bem como as espécies de íons e a composição do alvo determinam a profundidade de penetração dos íons no sólido: Um feixe de íons monoenergético geralmente terá uma ampla distribuição de profundidade. A profundidade média de penetração é chamada de intervalo dos íons. Em circunstâncias típicas, as faixas de íons serão entre 10 nanômetros e 1 micrômetro. Assim, a implantação de íons é especialmente útil nos casos em que a mudança química ou estrutural é desejada para estar perto da superfície do alvo. Os íons perdem gradualmente sua energia à medida que viajam através do sólido, tanto por colisões ocasionais com átomos alvo (que causam transferências abruptas de energia) quanto por um leve arrasto por sobreposição de orbitais de elétrons, que é um processo contínuo. A perda de energia iônica no alvo é chamada de parada e pode ser simulada com o método de aproximação de colisão binária .
Os sistemas aceleradores para implantação de íons são geralmente classificados em corrente média (correntes de feixe de íons entre 10 μA e ~ 2 mA), alta corrente (correntes de feixe de íons de até ~ 30 mA), alta energia (energias de íons acima de 200 keV e até 10 MeV ), e dose muito alta (implante eficiente de dose maior que 10 16 íons / cm 2 ).
Todas as variedades de designs de linha de luz de implantação iônica contêm certos grupos gerais de componentes funcionais (veja a imagem). O primeiro segmento principal de uma linha de luz de íons inclui um dispositivo conhecido como fonte de íons para gerar as espécies de íons. A fonte está intimamente acoplada a eletrodos polarizados para extração dos íons na linha de luz e, na maioria das vezes, a alguns meios de seleção de uma espécie de íon particular para transporte para a seção principal do acelerador. A seleção de "massa" é frequentemente acompanhada pela passagem do feixe de íons extraído através de uma região de campo magnético com um caminho de saída restrito por aberturas de bloqueio, ou "fendas", que permitem apenas íons com um valor específico do produto de massa e velocidade / carregue para continuar na linha de luz. Se a superfície do alvo for maior do que o diâmetro do feixe de íons e uma distribuição uniforme da dose implantada for desejada sobre a superfície do alvo, então alguma combinação de varredura de feixe e movimento de wafer é usada. Finalmente, a superfície implantada é acoplada a algum método para coletar a carga acumulada dos íons implantados, de modo que a dose administrada possa ser medida de maneira contínua e o processo de implante interrompido no nível de dose desejado.
Aplicação na fabricação de dispositivos semicondutores
Doping
A dopagem de semicondutores com boro, fósforo ou arsênico é uma aplicação comum de implantação de íons. Quando implantado em um semicondutor, cada átomo dopante pode criar um portador de carga no semicondutor após o recozimento . Um buraco pode ser criado para um dopante do tipo p e um elétron para um dopante do tipo n . Isso modifica a condutividade do semicondutor em sua vizinhança. A técnica é usada, por exemplo, para ajustar a tensão limite de um MOSFET .
A implantação de íons foi desenvolvida como um método de produção da junção pn de dispositivos fotovoltaicos no final da década de 1970 e início da década de 1980, juntamente com o uso de feixe de elétrons pulsados para recozimento rápido, embora até agora não tenha sido usado para produção comercial.
Silício no isolador
Um método proeminente para preparar substratos de silício sobre isolante (SOI) a partir de substratos de silício convencionais é o processo SIMOX (separação por implantação de oxigênio), em que um implante de oxigênio de alta dose enterrado é convertido em óxido de silício por um processo de recozimento de alta temperatura .
Mesotaxia
Mesotaxia é o termo para o crescimento de uma fase correspondente cristalograficamente abaixo da superfície do cristal hospedeiro (compare com epitaxia , que é o crescimento da fase correspondente na superfície de um substrato). Nesse processo, os íons são implantados com energia e dosagem alta o suficiente em um material para criar uma camada de uma segunda fase, e a temperatura é controlada para que a estrutura cristalina do alvo não seja destruída. A orientação do cristal da camada pode ser projetada para coincidir com a do alvo, embora a estrutura de cristal exata e a constante de rede possam ser muito diferentes. Por exemplo, após a implantação de íons de níquel em uma pastilha de silício, uma camada de siliceto de níquel pode ser cultivada na qual a orientação do cristal do silicida coincide com a do silício.
Aplicação em acabamento metálico
Endurecimento de aço ferramenta
Nitrogênio ou outros íons podem ser implantados em um alvo de aço ferramenta (brocas, por exemplo). A alteração estrutural ocasionada pelo implante produz uma compressão da superfície do aço, o que impede a propagação de trincas e, portanto, torna o material mais resistente à fratura. A mudança química também pode tornar a ferramenta mais resistente à corrosão.
Acabamento da superfície
Em algumas aplicações, por exemplo, dispositivos protéticos, como articulações artificiais, é desejável ter superfícies muito resistentes à corrosão química e ao desgaste devido ao atrito. A implantação de íons é usada em tais casos para projetar as superfícies de tais dispositivos para um desempenho mais confiável. Como no caso dos aços ferramenta, a modificação da superfície causada pela implantação de íons inclui uma compressão da superfície que evita a propagação de trincas e uma liga da superfície para torná-la mais resistente quimicamente à corrosão.
Outras aplicações
Mistura de feixe de íons
A implantação de íons pode ser usada para obter a mistura do feixe de íons , ou seja, misturar átomos de diferentes elementos em uma interface. Isso pode ser útil para alcançar interfaces graduadas ou reforçar a adesão entre camadas de materiais imiscíveis.
Formação de nanopartículas induzida por implantação de íons
A implantação de íons pode ser usada para induzir partículas nano-dimensionais em óxidos, como safira e sílica . As partículas podem ser formadas como resultado da precipitação das espécies implantadas com íons, elas podem ser formadas como resultado da produção de uma espécie de óxido misto que contém o elemento implantado com íons e o substrato de óxido, e podem ser formadas como resultado de uma redução do substrato, relatado pela primeira vez por Hunt e Hampikian. As energias de feixe de íons típicas usadas para produzir nanopartículas variam de 50 a 150 keV, com fluências de íons que variam de 10 16 a 10 18 íons / cm 2 . A tabela abaixo resume alguns dos trabalhos realizados neste campo para um substrato de safira. Uma grande variedade de nanopartículas pode ser formada, com tamanhos variando de 1 nm em até 20 nm e com composições que podem conter as espécies implantadas, combinações do íon implantado e substrato, ou que são constituídas exclusivamente do cátion associado ao substrato .
Materiais compostos baseados em dielétricos, como safira, que contêm nanopartículas de metal dispersas, são materiais promissores para optoeletrônica e óptica não linear .
| Espécies Implantadas | Substrato | Energia de feixe de íons (keV) | Fluência (íons / cm 2 ) | Tratamento térmico pós-implantação | Resultado | Fonte | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Produz óxidos que contêm o íon implantado | Co | Al 2 O 3 | 65 | 5 * 10 17 | Recozimento a 1400 ° C | Forma espinélio Al 2 CoO 4 | |
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2 * 10 17 | Recozimento a 1000 ° C em ambiente oxidante | Forma espinélio Al 2 CoO 4 | ||
| Mg | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | Formas MgAl 2 O 4 plaquetas | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1 * 10 17 | Recozimento em atmosfera de O 2 a 1000 ° C por 1 hora | Forma de nanopartículas de SnO 2 de 30 nm | ||
| Zn | α-Al 2 O 3 | 48 | 1 * 10 17 | Recozimento em atmosfera de O 2 a 600 ° C | Forma de nanopartículas de ZnO | ||
| Zr | Al 2 O 3 | 65 | 5 * 10 17 | Recozimento a 1400 ° C | Forma de precipitados de ZrO 2 | ||
| Produz Nanopartículas Metálicas de Espécies Implantadas | Ag | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Recozimento de 600 ° C a 1100 ° C em atmosferas oxidantes, redutoras de Ar ou N 2 | Nanopartículas de Ag em matriz de Al 2 O 3 | |
| Au | α-Al 2 O 3 | 160 | 0,6 * 10 17 , 1 * 10 16 | 1 hora a 800 ° C ao ar | Nanopartículas de Au em matriz de Al 2 O 3 | ||
| Au | α-Al 2 O 3 | 1500, 2000 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Recozimento de 600 ° C a 1100 ° C em atmosferas oxidantes, redutoras de Ar ou N 2 | Nanopartículas de Au em matriz de Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | <5 * 10 16 | Recozimento a 1000 ° C | Nanopartículas de Co na matriz de Al 2 O 3 | ||
| Co | α-Al 2 O 3 | 150 | 2 * 10 17 | Recozimento a 1000 ° C em ambiente de redução | Precipitação de Co metálico | ||
| Fe | α-Al 2 O 3 | 160 | 1 * 10 16 a 2 * 10 17 | Recozimento por 1 hora de 700 ° C a 1500 ° C em ambiente de redução | Nanocompósitos de Fe | ||
| Ni | α-Al 2 O 3 | 64 | 1 * 10 17 | --- | Nanopartículas de Ni de 1-5 nm | ||
| Si | α-Al 2 O 3 | 50 | 2 * 10 16 , 8 * 10 16 | Recozimento a 500 ° C ou 1000 ° C por 30 min | Nanopartículas de Si em Al 2 O 3 | ||
| Sn | α-Al 2 O 3 | 60 | 1 * 10 17 | --- | Nanopartículas de Sn tetragonal de 15 nm | ||
| Ti | α-Al 2 O 3 | 100 | <5 * 10 16 | Recozimento a 1000 ° C | Nanopartículas de Ti em Al 2 O 3 | ||
| Produz Nanopartículas Metálicas de Substrato | Ca | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | Nanopartículas de Al em matriz amorfa contendo Al 2 O 3 e CaO | |
| Y | Al 2 O 3 | 150 | 5 * 10 16 | --- | Partículas de Al 10,7 ± 1,8 nm em matriz amorfa contendo Al 2 O 3 e Y 2 O 3 | ||
| Y | Al 2 O 3 | 150 | 2,5 * 10 16 | --- | Partículas de Al 9,0 ± 1,2 nm em matriz amorfa contendo Al 2 O 3 e Y 2 O 3 |
Problemas com implantação de íons
Dano cristalográfico
Cada íon individual produz muitos defeitos pontuais no cristal alvo no impacto, como espaços vazios e intersticiais. As vacâncias são pontos de rede cristalina não ocupados por um átomo: neste caso, o íon colide com um átomo alvo, resultando na transferência de uma quantidade significativa de energia para o átomo alvo, de modo que ele deixa seu local cristalino. Este átomo alvo então se torna um projétil no sólido e pode causar eventos de colisão sucessivos . Os intersticiais resultam quando esses átomos (ou o próprio íon original) param no sólido, mas não encontram nenhum espaço vazio na rede para residir. Esses defeitos pontuais podem migrar e se agrupar, resultando em loops de deslocamento e outros defeitos.
Recuperação de danos
Como a implantação de íons causa danos à estrutura de cristal do alvo, o que muitas vezes é indesejado, o processamento de implantação de íons é frequentemente seguido por um recozimento térmico. Isso pode ser referido como recuperação de danos.
Amorfização
A quantidade de dano cristalográfico pode ser suficiente para amorfizar completamente a superfície do alvo: isto é, ele pode se tornar um sólido amorfo (tal sólido produzido a partir de uma fusão é chamado de vidro ). Em alguns casos, a amorfização completa de um alvo é preferível a um cristal altamente defeituoso: um filme amorfizado pode ser regenerado a uma temperatura mais baixa do que a necessária para recozer um cristal altamente danificado. A amorfização do substrato pode ocorrer como resultado do dano do feixe. Por exemplo, a implantação de íons de ítrio na safira com uma energia de feixe de íons de 150 keV a uma fluência de 5 * 10 16 Y + / cm 2 produz uma camada vítrea amorfa de aproximadamente 110 nm de espessura, medida a partir da superfície externa. [Hunt, 1999]
Cuspindo
Alguns dos eventos de colisão resultam em átomos sendo ejetados ( pulverizados ) da superfície e, portanto, a implantação de íons irá decapitar lentamente uma superfície. O efeito só é apreciável para doses muito grandes.
Canalização de íons
Se houver uma estrutura cristalográfica para o alvo, e especialmente em substratos semicondutores onde a estrutura do cristal é mais aberta, direções cristalográficas específicas oferecem parada muito mais baixa do que outras direções. O resultado é que o alcance de um íon pode ser muito maior se o íon viajar exatamente ao longo de uma direção particular, por exemplo, a direção <110> no silício e em outros materiais cúbicos de diamante . Esse efeito é chamado de canalização de íons e, como todos os efeitos de canalização , é altamente não linear, com pequenas variações da orientação perfeita, resultando em diferenças extremas na profundidade de implantação. Por esse motivo, a maioria dos implantes é realizada alguns graus fora do eixo, onde pequenos erros de alinhamento terão efeitos mais previsíveis.
A canalização de íons pode ser usada diretamente em retroespalhamento de Rutherford e técnicas relacionadas como um método analítico para determinar a quantidade e o perfil de profundidade de dano em materiais de filme fino cristalino.
Segurança
Materiais perigosos
Na fabricação de wafers , materiais tóxicos como arsina e fosfina são freqüentemente usados no processo de implantação de íons. Outros elementos cancerígenos , corrosivos , inflamáveis ou tóxicos comuns incluem antimônio , arsênio , fósforo e boro . As instalações de fabricação de semicondutores são altamente automatizadas, mas resíduos de elementos perigosos nas máquinas podem ser encontrados durante a manutenção e no hardware da bomba de vácuo .
Altas tensões e aceleradores de partículas
Fontes de alimentação de alta tensão usadas em aceleradores de íons necessários para implantação de íons podem representar um risco de lesão elétrica . Além disso, as colisões atômicas de alta energia podem gerar raios-X e, em alguns casos, outras radiações ionizantes e radionuclídeos . Além da alta voltagem, os aceleradores de partículas , como aceleradores de partículas lineares de radiofrequência e aceleradores de plasma de wakefield a laser, apresentam outros perigos.