implantación iónica

Todos los diseños de líneas de haz para implantación iónica contienen grupos generales de componentes funcionales (véase la imagen). El primer segmento principal de una línea de haz de iones incluye una fuente de iones que se utiliza para generar las especies iónicas. La fuente está estrechamente acoplada a electrodos polarizados para la extracción de los iones hacia la línea de haz y, por lo general, a algún sistema para seleccionar una especie iónica específica para su transporte a la sección principal del acelerador.

La fuente de iones suele estar hecha de materiales con un punto de fusión alto como el tungsteno, el tungsteno dopado con óxido de lantano (tungsteno lantanizado), el molibdeno y el tantalio. El óxido de lantano ayuda a prolongar la vida útil de la fuente de iones. ^{[ 4 ]} 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 o hidrógeno que contiene el ion que se va a implantar, ya sea germanio , boro o silicio , como el trifluoruro de boro, ^{[ 5 ]} el difluoruro de boro, ^{[ 6 ]} el tetrafluoruro de germanio o el tetrafluoruro de silicio. ^{[ 7 ]} Se puede utilizar gas arsina o gas fosfina en la fuente de iones para proporcionar arsénico o fósforo respectivamente para la implantación. ^{[ 8 ]} La fuente de iones también tiene un cátodo calentado indirectamente. Alternativamente, este cátodo calentado puede usarse como uno de los reflectores, eliminando la necesidad de uno dedicado, ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} o se utiliza un cátodo calentado directamente. ^{[ 12 ]}

Los gases a base de oxígeno (óxidos) pueden utilizarse para proporcionar iones para la implantación, como el dióxido de carbono para implantar 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 de halógenos. ^{[ 7 ] [ 11 ] [ 13 ] [ 6 ]} El hidrógeno puede provenir de un cilindro de alta presión o de un generador de hidrógeno que utiliza electrólisis. ^{[ 14 ]} Los repulsores en cada extremo de la fuente de iones mueven continuamente los átomos de un extremo a otro, asemejándose a dos espejos apuntando uno frente al otro que reflejan constantemente la luz. ^{[ 9 ]}

Los iones se extraen de la fuente mediante un electrodo de extracción situado fuera de la fuente de iones a través de una abertura en forma de hendidura 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 procesamiento. ^{[ 18 ]} En los implantadores de iones de corriente media también hay una trampa de iones neutros antes de la cámara de procesamiento para eliminar los iones neutros del haz de iones. ^{[ 19 ]}

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 que se vaporiza en un crisol cercano, como yoduro de aluminio o cloruro de aluminio , o como un blanco de pulverización sólido dentro de la fuente de iones hecho 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 contiene flúor, como el hexafluoruro de antimonio, o vaporizar a partir de pentafluoruro de antimonio líquido. ^{[ 7 ]} 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 e impiden que los implantadores de iones modifiquen las recetas o los parámetros del proceso en menos de 20 a 30 minutos. Las fuentes de iones suelen durar hasta 300 horas. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La selección de "masa" (al igual que en un espectrómetro de masas ) suele ir acompañada del paso del haz de iones extraído a través de una región de campo magnético con una trayectoria de salida restringida por aberturas de bloqueo, o "hendiduras", que permiten que solo los iones con un valor específico del producto de masa y velocidad/carga continúen por la línea del 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 dicha superficie, se utiliza una combinación de escaneo del haz y movimiento de la oblea. Finalmente, la superficie implantada se acopla a algún método para recolectar la carga acumulada de los iones implantados, de modo que la dosis administrada pueda medirse de forma continua y el proceso de implantación pueda detenerse al nivel de dosis deseado. ^{[ 20 ]}

El dopaje de semiconductores con boro, fósforo o arsénico es una aplicación común de la implantación iónica. Cuando se implanta en un semiconductor, cada átomo dopante puede crear un portador de carga en el semiconductor después del recocido . El recocido es necesario después de la implantación iónica para activar los dopantes y puede llevarse a cabo utilizando un horno tubular o por lotes, procesamiento térmico rápido, recocido con lámpara de destellos, recocido láser u otras técnicas de recocido. Se puede crear un hueco para un dopante de tipo p y un electrón para un dopante de tipo n . Esto modifica la conductividad del semiconductor en su proximidad. La técnica se utiliza, por ejemplo, para ajustar el voltaje umbral de un MOSFET . La implantación iónica es práctica debido a la alta sensibilidad de los dispositivos semiconductores a los átomos extraños, ya que la implantación iónica no deposita grandes cantidades de átomos. ^{[ 2 ]} A veces, como durante la fabricación de dispositivos SiC, la implantación iónica se lleva a cabo mientras se calienta la oblea de SiC a 500  °C. ^{[ 21 ]} Esto se conoce como implante caliente y se utiliza para controlar el daño a la superficie del semiconductor. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Los implantes criogénicos (crioimplantes) pueden tener el mismo efecto. ^{[ 25 ]}

Las energías utilizadas en el dopaje suelen variar de 1 KeV a 3 MeV y, debido a limitaciones físicas, no es posible construir un implantador de iones capaz de proporcionar iones a cualquier energía. Para aumentar el rendimiento de los implantadores de iones, se han realizado esfuerzos para incrementar la corriente del haz creado por el implantador. ^{[ 2 ]} El haz puede escanearse a través de la oblea magnéticamente, electrostáticamente, ^{[ 26 ]} mecánicamente o con una combinación de estas técnicas. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Se utiliza un imán analizador de masas para seleccionar los iones que se implantarán en la oblea. ^{[ 30 ]} La implantación de iones también se utiliza en pantallas que contienen transistores LTPS. ^{[ 18 ]}

La implantación iónica se desarrolló como método para producir la unión pn de dispositivos fotovoltaicos a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, ^{[ 31 ]} junto con el uso de haces de electrones pulsados ​​para el recocido rápido, ^{[ 32 ]} aunque hasta la fecha el haz de electrones pulsado para el recocido rápido no se ha utilizado para la producción comercial. La implantación iónica no se utiliza en la mayoría de las células fotovoltaicas de silicio; en su lugar, se utiliza el dopaje por difusión térmica. ^{[ 33 ]}

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 una implantación de oxígeno de alta dosis enterrada se convierte en óxido de silicio mediante un proceso de recocido a alta temperatura .

La mesotaxia es el término que describe el crecimiento de una fase cristalográficamente idéntica bajo la superficie del cristal huésped (a diferencia de la epitaxia , que consiste en el crecimiento de la fase idéntica sobre la superficie de un sustrato). En este proceso, se implantan iones con la energía y la dosis suficientes en un material para crear una capa de una segunda fase, controlando la temperatura para no destruir la estructura cristalina del objetivo. La orientación cristalina de la capa puede diseñarse para que coincida con la del objetivo, aunque la estructura cristalina y la constante de red exactas sean muy diferentes. Por ejemplo, tras la implantación de iones de níquel en una oblea de silicio, se puede cultivar una capa de siliciuro de níquel cuya orientación cristalina coincida con la del silicio.

Se puede implantar nitrógeno u otros iones en una herramienta de acero (brocas, por ejemplo). El cambio estructural provocado por la implantación produce una compresión superficial en el acero, lo que impide la propagación de grietas y, por lo tanto, aumenta la resistencia del material a la fractura. El cambio químico también puede aumentar la resistencia de la herramienta a la corrosión .

En algunas aplicaciones, como por ejemplo en prótesis articulares, se requiere que las superficies sean muy resistentes tanto a la corrosión química como al desgaste por fricción. La implantación iónica se utiliza en estos casos para modificar las superficies de dichos dispositivos y lograr un rendimiento más fiable. Al igual que en el caso de los aceros para herramientas, la modificación superficial mediante implantación iónica incluye tanto una compresión superficial que previene la propagación de grietas como una aleación que aumenta su resistencia química a la corrosión.

La implantación iónica puede utilizarse para lograr la mezcla de haces iónicos , es decir, la mezcla de átomos de diferentes elementos en una interfaz. Esto puede resultar útil para obtener interfaces graduadas o para reforzar la adhesión entre capas de materiales inmiscibles.

La implantación iónica puede utilizarse para inducir partículas nanométricas en óxidos como el zafiro y la sílice . Las partículas pueden formarse como resultado de la precipitación de las especies implantadas iónicamente, pueden formarse como resultado de la producción de una especie de óxido mixto que contiene tanto el elemento implantado iónicamente como el sustrato de óxido, y pueden formarse como resultado de una reducción del sustrato, reportada por primera vez por Hunt y Hampikian. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} Las energías típicas del haz iónico utilizadas para producir nanopartículas varían de 50 a 150 keV, con fluencias iónicas que varían de 10 ¹⁶ a 10 ¹⁸ iones/cm ² . ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} La tabla a continuación 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 con el 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 . ^{[ 41 ]}

Cada ion individual produce numerosos defectos puntuales en el cristal objetivo al impactar, como vacantes e intersticiales. Las vacantes son puntos de la red cristalina no ocupados por un átomo: en este caso, el ion colisiona con un átomo objetivo, transfiriéndole una cantidad significativa de energía que provoca que abandone su posición en el cristal. Este átomo objetivo se convierte entonces en un proyectil dentro del sólido y puede causar colisiones sucesivas . Los intersticiales se forman cuando dichos átomos (o el propio ion original) se encuentran en reposo en el sólido, pero no hallan ningún espacio vacante en la red donde alojarse. Estos defectos puntuales pueden migrar y agruparse, dando lugar a bucles de dislocación y otros defectos. Diferentes especies de iones, dosis de implantación y energía pueden generar distintos tipos de defectos. La implantación iónica también produce deformación y distorsión local.

Debido a que la implantación iónica causa daños no deseados en la estructura cristalina del material objetivo, el proceso de implantación iónica suele ir seguido de un recocido térmico para restaurar dicha estructura, ya que el tratamiento térmico aporta energía adicional a la red cristalina. Algunas técnicas de recocido comunes incluyen el recocido convencional en horno, el recocido térmico rápido (RTA) y el recocido láser. El RTA y el recocido láser presentan tiempos de recocido mucho más cortos, lo que limita significativamente la difusión del dopante, mientras que el recocido en horno permite obtener una mayor uniformidad.

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 fusión se denomina vidrio ). En algunos casos, la amorfización completa de un objetivo es preferible a un cristal con muchos defectos: una película amorfizada puede regenerarse a una temperatura inferior a la necesaria para recocer un cristal muy dañado. La amorfización del sustrato puede ocurrir como resultado del daño del haz. Por ejemplo, la implantación de iones de itrio en zafiro con una energía de haz de iones de 150 keV y una fluencia de 5 × 10¹⁶ ^{Y⁺ /}  cm² ^produce una capa vítrea amorfa de aproximadamente 110 nm de espesor, medida desde la superficie exterior. ^{[ 34 ]} 

Algunas colisiones provocan la expulsión ( pulverización catódica ) de átomos de la superficie, por lo que la implantación iónica erosiona gradualmente la superficie. Este efecto solo es apreciable con dosis muy elevadas.

Si existe una estructura cristalográfica en el objetivo, y especialmente en sustratos semiconductores donde la estructura cristalina es más abierta, ciertas direcciones cristalográficas ofrecen una detención mucho menor que otras. El resultado es que el alcance 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 . ^{[ 46 ]} 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 dan lugar a diferencias extremas en la profundidad de implantación. Por esta razón, la mayoría de las implantaciones se realizan unos pocos grados fuera del eje, donde los pequeños errores de alineación tendrán efectos más predecibles.

La canalización de iones puede utilizarse 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 cristalina.

En la fabricación de obleas , se suelen utilizar materiales tóxicos como la arsina y la fosfina en el proceso de implantación iónica. Otros elementos comunes que pueden ser cancerígenos , corrosivos , inflamables o tóxicos incluyen el antimonio , el arsénico , el fósforo y el boro . Las instalaciones de fabricación de semiconductores están altamente automatizadas, pero pueden encontrarse residuos de elementos peligrosos en las máquinas durante el mantenimiento y en los componentes de las bombas de vacío .

Las fuentes de alimentación de alto voltaje utilizadas en los aceleradores de iones necesarios para la implantación iónica 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 radionúclidos . Además del alto voltaje, los aceleradores de partículas , como los aceleradores lineales de partículas de radiofrecuencia y los aceleradores de plasma de estela láser, presentan otros peligros.