Implantació de ions

Archiu:Ion implantation machine at caps block 0 0521.jpg

Sistema d'implantació de ions en les instalacions del Laboratori d'Anàlisis i Arquitectura de Sistemes (LAAS) de Toulouse, França.

La implantació de ions és un procés propi de l'ingenieria de materials pel qual els ionés d'un material poden ser implantats en un atre sòlit, canviant per tant les propietats físiques d'este últim. L'implantació de ions és utilisada en la fabricació de dispositius semiconductors i en el revestiment d'alguns metals, aixina com en diverses aplicacions orientades a l'investigació en ciència de materials. Els ions provoquen, per una partix canvis químics en l'objectiu, ya que poden ser d'un element distint al que ho compon, i per una atra un canvi estructural, ya que l'estructura cristalina de l'objectiu pot ser danyada o inclús destruïda.

L'implantació iònica es va desenrollar com un método per a produir l'unió p-n de dispositius fotovoltaics a finals dels anys 70 i començos dels 80, junt en l'us de fes d'electrons pulsats per al recocido ràpit, encara que fins a la data no s'ha utilisat per a la producció comercial.

Principi general

Esquema del procés d'implantació de ions en separador de masses.

L'equipament necessari per a l'implantació de ions sol consistir en una font de ions que produïx els ions de l'element desijat, un accelerador a on dits ions són electrostáticamente accelerats fins a alcançar una alta energia, i una cambra a on els ions impacten contra l'objectiu. Cada ion sol ser un àtom aïllat, i d'esta manera la cantitat de material que s'implanta en l'objectiu és en realitat l'integral respecte del temps de la corrent de ion. Esta cantitat és coneguda com a dosis. Les corrents suministrades solen ser molt chicotetes (microamperios), i per açò la dosis que pot ser implantada en un temps raonable és també menuda. Per tot açò, l'implantació de ions troba aplicació en els casos en que el canvi químic necessari.

Les energies típiques de ion es troben en el ranc de 10 a 500 keV (1600 a 80 000 aJ). També poden utilisar-se energies entre 1 i 10 keV (160 a 1600 aJ), pero la penetració dels ions és d'a penes uns nanómetros o inclús menys. Energies inferiors resultarien en un dany pràcticament nul a l'objectiu, rebent el nom de deposición de fas de ions. Poden ser utilisades altes energies per mig d'acceleradors capaços d'elevar l'energia dels ions fins als 5 MeV (800 000 aJ), els quals són prou comuns. No obstant, açò sol provocar un notable dany estructural a l'objectiu i ademés com la profunditat de distribució és important, el canvi de la composició neta en un punt qualsevol de l'objectiu serà reduït.

L'energia dels ions junt en l'espècie de ion i la composició de l'objectiu determinen la profunditat de penetració dels ions en el sòlit: Un fes de ions monoenergético generalment tindrà una gran profunditat de distribució. La penetració mija rep el nom de ranc iònic. Baixe circumstàncies típiques els rancs oscilen entre els 10 nm i 1 μm. D'esta manera, l'implantació de ions és especialment útil en els casos en que es busca que el canvi químic o estructural succeïxca prop de la superfície de l'objectiu. Els ions van perdent gradualment la seua energia a mida que viagen a través del sòlit a causa tant de les colisions ocasionals en els àtoms de l'objectiu (que suponen abruptes transferències d'energia) com d'un suau arrastre provocat per la coincidència de orbitales electrònics (un procés que succeïx contínuament). La pèrdua de l'energia de ion en l'objectiu es coneix com a parada.

Aplicació en la fabricació de dispositius semiconductors

Dopat

L'introducció d'impurees en un semiconductor és l'aplicació més comuna de l'implantació de ions. Els ions dopantes de bor, fòsfor o arsènic entre uns atres solen procedir de fonts gaseoses per la seua gran purea, si ben estos gasos poden ser molt tòxics. Una volta implantats en el semiconductor, cada àtom dopante origina un desplaçament de càrrega en el semiconductor (buit o electró, depenent de si és un dopante tipo P o tipo N), de manera que es modifica la conductivitat del semiconductor al seu entorn.

Silicon on Insulator

Un important método per a la preparació de substrats "Silicon on Insulator" (SOI) a partir de substrats convencionals de silici és el procés SIMOX (Separación per IMplantació de OXígeno), en el qual un implant en una alta dosis d'oxigen en el seu interior és convertit a òxit de silici per mig de recocido a altes temperatures.

La fusió de obleas és un método alternatiu per a la preparació de substrats SOI. En eixe cas es fusionen físicament un substrat de silici oxidado tèrmica o químicament en un segon substrat, per a despuix retirar part d'este últim. D'esta forma es conseguix una regió activa en una gruixa específica. Mentres que l'eliminació del segon substrat sol realisar-se per mig de tècniques convencionals de rayado o poliment, el método SmartCut desenrollat per SOITEC utilisa l'implantació de ions per a determinar la gruixa del substrat remanente.

Mesotaxia

El terme mesotaxia es referix al creiximent d'una fase d'igual estructura cristalina baixe la superfície del cristal semiconductor (compare's en epitaxia, a on dita fase apareix en la superfície). En este procés, els ions són implantats a una alta energia i dosis per a poder crear una capa d'una segona fase, ademés de ser necessari controlar la temperatura per a evitar que l'estructura cristalina de l'objectiu es destruïxca. L'orientació de la capa pot ser manipulada fins a conseguir que coincidixca en la de l'objectiu, encara que l'estructura exacta i el paràmetro de ret siguen molt diferents. Per eixemple, despuix de l'implantació de ions de níquel en una oblea de silici s'obté una capa de siliciuro de níquel que creix seguint l'orientació del silici de la oblea.