La implantación de iones es un proceso a baja temperatura mediante el cual los iones de un elemento se aceleran hasta convertirse en un objetivo sólido, cambiando 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 de la ciencia de los materiales . Los iones pueden alterar la composición elemental del objetivo (si los iones difieren en composición 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 con 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 .
El equipo de implantación de iones normalmente consta de una fuente de iones , donde se producen los 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 sobre un objetivo, que es el material a implantar. Por tanto, la implantación de iones es un caso especial de radiación de partículas . Cada ion suele ser un único átomo o molécula y, por tanto, la cantidad real de material implantado en el objetivo es la integral en el tiempo de la corriente iónica. Esta cantidad se llama dosis. Las corrientes suministradas por los implantes suelen ser pequeñas (microamperios) y, por tanto, la dosis que se puede implantar en un período de tiempo razonable es pequeña. Por lo tanto, la implantación de iones encuentra aplicación en los casos en que la cantidad de cambio químico requerido es pequeña.
Las energías iónicas típicas están en el rango de 10 a 500 keV (1600 a 80 000 aJ). Se pueden utilizar energías en el rango de 1 a 10 keV (160 a 1600 aJ), pero dan como resultado una penetración de sólo unos pocos nanómetros o menos. Energías inferiores a esta provocan muy poco daño al objetivo y caen bajo la designación deposición de haz de iones . También se pueden utilizar energías más altas: son comunes los aceleradores con capacidad 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 neto de composición en cualquier punto del objetivo será pequeño.
La energía de los iones, así como las especies de iones y la composición del objetivo determinan la profundidad de penetración de los iones en el sólido: un haz de iones monoenergético generalmente tendrá una distribución de profundidad amplia. La profundidad de penetración promedio se llama rango de 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 los casos en los que se desea que el cambio químico o estructural esté 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 objetivo (que causan transferencias abruptas de energía) como por un leve arrastre debido a la superposición de orbitales de electrones, que es un proceso continuo. La pérdida de energía iónica en el objetivo se denomina parada y se puede simular con el método de aproximación de colisión binaria .
Los sistemas aceleradores para la implantación de iones generalmente se clasifican 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), alta energía (energías de iones superiores a 200 keV y hasta 10 MeV). ), y dosis muy alta (implante eficiente de dosis superior a 10 16 iones/cm 2 ). [1] [2] [3]
Todas las variedades de diseños de líneas de luz de implantación de iones contienen grupos generales de componentes funcionales (ver imagen). El primer segmento importante de una línea de luz de iones incluye una fuente de iones utilizada para generar las especies de iones. La fuente está estrechamente acoplada a electrodos polarizados para la extracción de iones en la línea de luz y, más a menudo, a algún medio para seleccionar una especie de ion particular para transportarla a la sección principal del acelerador.
La fuente de iones suele estar hecha de materiales con un alto punto de fusión, como tungsteno, tungsteno dopado con óxido de lantano, molibdeno y tantalio. A menudo, dentro de la fuente de iones se crea un plasma entre dos electrodos de tungsteno, llamados reflectores, utilizando un gas a menudo a base de flúor que contiene el ión que se va a implantar, ya sea germanio, boro o silicio. La fuente de iones también tiene un cátodo calentado indirectamente. Alternativamente, el cátodo calentado se puede utilizar como uno de los reflectores, eliminando la necesidad de uno dedicado, [4] [5] [6] o se utiliza un cátodo calentado directamente. [7] Los gases a base de oxígeno también se pueden utilizar para iones como el carbono. Se puede agregar hidrógeno al plasma para retrasar la degradación de los componentes de tungsteno. [6] [8] [9] El hidrógeno puede provenir de un cilindro de alta presión o de un generador de hidrógeno que utiliza electrólisis. [10] 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 al otro que reflejan constantemente la luz. [11]
Los iones se extraen de la fuente mediante un electrodo de extracción fuera de la fuente de iones a través de una abertura con forma de hendidura en la fuente, [12] [13] 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 [14] aceleradores lineales (linacs) [15] que aceleran los iones antes de que alcancen la oblea en una cámara de proceso. [15] En los implantadores de iones de corriente media también hay una trampa de iones neutros antes de la cámara de proceso para eliminar los iones neutros del haz de iones. [16] Algunos dopantes, como el aluminio, a menudo no se proporcionan a la fuente de iones como gas, sino como un compuesto sólido basado en cloro o yodo, como yoduro de aluminio o cloruro de aluminio , o como un objetivo de pulverización sólido hecho de óxido de aluminio o nitruro de aluminio. . [17]
La selección de "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 una ruta de salida restringida por aberturas de bloqueo, o "hendiduras", que permiten sólo iones con un valor específico de el producto de la masa y la velocidad/carga para continuar a lo largo de la línea de luz. 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, entonces se utiliza alguna combinación de escaneo del haz y movimiento de 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 pueda medirse de manera continua y detenerse el proceso de implantación al nivel de dosis deseado. [18]
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 sus proximidades. 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 una gran cantidad 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. [19] Esto se conoce como implante caliente y se utiliza para controlar el daño a la superficie del semiconductor. [20] [21] [22] Los implantes criogénicos (crioimplantes) pueden tener el mismo efecto. [23]
Las energías utilizadas en el dopaje suelen variar de 1 keV a 3 meV y no es posible construir un implantador de iones capaz de proporcionar iones con cualquier energía debido a limitaciones físicas. Para aumentar el rendimiento de los implantadores de iones, se han realizado 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, [24] mecánica o con una combinación de estas técnicas. [25] [26] [27] Se utiliza un imán analizador de masas para seleccionar los iones que se implantarán en la oblea. [28] La implantación de iones también se utiliza en pantallas que contienen transistores LTPS. [15]
La implantación de iones se desarrolló como un método para producir la unión pn de dispositivos fotovoltaicos a finales de los años 1970 y principios de los 1980, [29] junto con el uso de haz de electrones pulsados para un recocido rápido, [30] aunque el haz de electrones pulsados para un recocido rápido hasta la fecha no se ha utilizado para la producción comercial. La implantación de iones no se utiliza en la mayoría de las células de silicio fotovoltaicas, sino que se utiliza el dopaje por difusión térmica. [31]
Un método destacado para preparar silicio sobre sustratos aislantes (SOI) a partir de sustratos de silicio convencionales es el proceso SIMOX (separación por implantación de oxígeno), en el que un implante enterrado de oxígeno de alta dosis se convierte en óxido de silicio mediante un proceso de recocido a alta temperatura .
Mesotaxia es el término para el crecimiento de una fase cristalográficamente coincidente debajo de la superficie del cristal huésped (en comparación con epitaxia , que es el crecimiento de la fase coincidente en la superficie de un sustrato). En este proceso, los iones se implantan con una energía suficientemente alta y se dosifican en un material para crear una capa de una segunda fase, y la temperatura se controla para que la estructura cristalina del objetivo no se destruya. La orientación cristalina de la capa se puede diseñar para que coincida con la del objetivo, aunque la estructura cristalina exacta y la constante de red puedan ser muy diferentes. Por ejemplo, después de la implantación de iones de níquel en una oblea de silicio, se puede hacer crecer una capa de siliciuro de níquel en la que la orientación cristalina del siliciuro coincida con la del silicio.
Se pueden implantar nitrógeno u otros iones en un objetivo de acero para herramientas (brocas, por ejemplo). El cambio estructural provocado por la implantación produce una compresión superficial en el acero, lo que evita la propagación de grietas y, por 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.
En algunas aplicaciones, por ejemplo dispositivos protésicos tales como articulaciones artificiales, se desea tener superficies muy resistentes tanto a la corrosión química como al desgaste debido a la fricción. La implantación de iones se utiliza en tales casos para diseñar las superficies de dichos dispositivos para un rendimiento más confiable. 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.
La implantación de iones se puede utilizar para lograr la mezcla del haz de iones , es decir, mezclar átomos de diferentes elementos en una interfaz. Esto puede resultar útil para lograr interfaces graduadas o fortalecer la adhesión entre capas de materiales inmiscibles.
La implantación de iones se puede utilizar para inducir partículas nanodimensionales en óxidos como el zafiro y la sílice . Las partículas pueden formarse como resultado de la precipitación de las especies implantadas con iones, pueden formarse como resultado de la producción de una especie de óxido mixto que contiene tanto el elemento implantado con iones como el sustrato de óxido, y pueden formarse como como resultado de una reducción del sustrato, reportada por primera vez por Hunt y Hampikian. [32] [33] [34] Las energías típicas de los haces de iones utilizadas para producir nanopartículas oscilan entre 50 y 150 keV, con fluencias iónicas que oscilan entre 10 16 y 10 18 iones/cm 2 . [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] 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 están 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 . [39]
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 resulta en 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 provocar sucesivas colisiones . Los intersticiales se producen cuando dichos átomos (o el propio ion original) descansan en el sólido, pero no encuentran espacio vacío en la red para residir. Estos defectos puntuales pueden migrar y agruparse entre sí, lo que da lugar a bucles de dislocación y otros defectos.
Debido a que la implantación de iones causa daños a la estructura cristalina del objetivo, lo que a menudo no es deseado, el procesamiento de implantación de iones suele ir seguido de un recocido térmico. Esto puede denominarse recuperación de daños.
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 producido a partir de una masa fundida se llama vidrio ). En algunos casos, es preferible la amorfización completa de un objetivo a un cristal muy defectuoso: una película amorfizada puede volver a crecer a una temperatura más baja que la necesaria para recocer un cristal muy dañado. La amorfización del sustrato puede ocurrir como resultado del daño del rayo. Por ejemplo, la implantación de iones itrio en zafiro con una energía de haz de iones de 150 keV y 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. [Caza, 1999]
Algunos de los eventos de colisión resultan en la expulsión ( pulverización ) de átomos de la superficie y, por lo tanto, la implantación de iones erosionará lentamente la superficie. El efecto sólo es apreciable en dosis muy grandes.
Si hay 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 alcance de un ion puede ser mucho mayor si el ion viaja exactamente en una dirección particular, por ejemplo la dirección <110> en el silicio y otros materiales cúbicos de diamante . [44] Este efecto se llama canalización de iones 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 mayor parte de la implantación se realiza 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 cristalinos de película delgada.
En la fabricación de obleas , a menudo se utilizan materiales tóxicos como arsina y fosfina en el proceso de implantación de iones. Otros elementos cancerígenos , corrosivos , inflamables o tóxicos comunes incluyen el antimonio , el arsénico , el fósforo y el boro . Las instalaciones de fabricación de semiconductores están altamente automatizadas, pero se pueden encontrar residuos de elementos peligrosos en las máquinas durante el mantenimiento y en el hardware de las bombas de vacío .
Las fuentes de alimentación de alto voltaje utilizadas en los aceleradores de iones necesarios para la implantación de iones pueden suponer un riesgo de lesiones eléctricas . 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 campo láser , presentan otros peligros.
