A implantação iônica é um processo de baixa temperatura no qual íons de um elemento são acelerados em um alvo sólido, alterando assim as propriedades físicas, químicas ou elétricas do alvo. A implantação iônica é usada na fabricação de dispositivos semicondutores e no acabamento de metais, bem como na pesquisa em ciência dos materiais. Os íons podem alterar a composição elementar do alvo (se os íons diferirem em composição do alvo) se pararem e permanecerem nele. A implantação iônica também causa alterações químicas e físicas quando os íons atingem o alvo com alta energia. A estrutura cristalina do alvo pode ser danificada ou até mesmo destruída pelas cascatas energéticas de colisão (cascatas de colisão), e íons de energia suficientemente alta (dezenas de MeV) podem causar transmutação nuclear.
Princípio geral
O equipamento de implantação iônica normalmente consiste em uma fonte de íons, onde os íons do elemento desejado são produzidos, um acelerador, onde os íons são acelerados eletrostaticamente a uma alta energia ou usando radiofrequência, e uma câmara de alvo, onde os íons atingem o alvo, que é o material a ser implantado. Assim, a implantação iônica é um caso especial de radiação de partículas. Cada íon é tipicamente um único átomo ou molécula e, portanto, a quantidade real de material implantado no alvo é a integral da corrente iônica ao longo do tempo. Essa quantidade é chamada de dose. As correntes fornecidas pelos implantes são tipicamente pequenas (microamperes) e, portanto, a dose que pode ser implantada em uma quantidade razoável de tempo é pequena. Por isso, a implantação iônica encontra aplicação em casos onde a quantidade de alteração química necessária é pequena. As energias típicas dos íons variam 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 enquadram-se na designação de deposição por feixe de íons. Energias mais altas também podem ser utilizadas: aceleradores capazes de atingir 5 MeV (800.000 aJ) são comuns. No entanto, muitas vezes há grandes danos estruturais ao alvo e, como a distribuição de profundidade é ampla (Pico de Bragg), a mudança líquida de composição em qualquer ponto do alvo será pequena. A energia dos íons, bem como a espécie do íon 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 alcance dos íons. Sob circunstâncias típicas, os alcances dos íons estarão entre 10 nanômetros e 1 micrômetro. Assim, a implantação iônica é especialmente útil em casos onde a alteração química ou estrutural desejada se localize próxima à superfície do alvo. Os íons gradualmente perdem sua energia à medida que viajam através do sólido, tanto por colisões ocasionais com átomos do alvo (o que causa transferências abruptas de energia) quanto por um leve arrasto devido à sobreposição de orbitais de elétrons, que é um processo contínuo. A perda de energia iônica no alvo é chamada de poder de parada e pode ser simulada com o método de aproximação de colisão binária. Sistemas de aceleração para implantação iônica são geralmente classificados em corrente média (correntes de feixe de íons entre 10 μA e ~2 mA), alta corrente (correntes de feixe de íons até ~30 mA), alta energia (energias de íons acima de 200 keV e até 10 MeV) e dose muito alta (implante eficiente de doses maiores que 1016 íons/cm2).
Fonte de íons Todas as variedades de projetos de linhas de feixe de implantação iônica contêm grupos gerais de componentes funcionais (veja a imagem). O primeiro segmento principal de uma linha de feixe de íons inclui uma fonte de íons usada para gerar a espécie iônica. A fonte é intimamente acoplada a eletrodos polarizados para extração dos íons para a linha de feixe e, na maioria das vezes, a algum meio de selecionar uma espécie de íon específica para o transporte para a seção principal do acelerador. A fonte de íons é frequentemente feita de materiais com alto ponto de fusão, como tungstênio, tungstênio dopado com óxido de lantânio (tungstênio lantanizado), molibdênio e tântalo. O óxido de lantânio ajuda a estender a vida útil da fonte de íons. Frequentemente, dentro da fonte de íons, cria-se um plasma entre dois eletrodos de tungstênio, chamados refletores, usando um gás muitas vezes baseado em flúor ou hidrogênio contendo o íon a ser implantado, seja ele germânio, boro ou silício, tais como trifluoreto de boro, difluoreto de boro, tetrafluoreto de germânio ou tetrafluoreto de silício. O gás arsina ou o gás fosfina podem ser usados na fonte de íons para fornecer arsênio ou fósforo, respectivamente, para implantação. A fonte de íons também possui um cátodo aquecido indiretamente. Alternativamente, este cátodo aquecido pode ser usado como um dos refletores, eliminando a necessidade de um dedicado, ou usa-se um cátodo de aquecimento direto. Gases à base de oxigênio (óxidos) podem ser usados para fornecer íons para implantação, como o dióxido de carbono para implantar carbono. Hidrogênio ou hidrogênio combinado com xenônio, criptônio ou argônio pode ser adicionado ao plasma para retardar a degradação dos componentes de tungstênio devido ao ciclo do halogênio. O hidrogênio pode vir de um cilindro de alta pressão ou de um gerador de hidrogênio que usa eletrólise. Repulsores em cada extremidade da fonte de íons movem continuamente os átomos de uma extremidade à outra da fonte, assemelhando-se a dois espelhos apontados um para o outro refletindo luz de forma constante. Os íons são extraídos da fonte por um eletrodo de extração localizado do lado de fora através de uma abertura em forma de fenda na fonte, em seguida, o feixe de íons passa por um ímã de análise para selecionar os íons que serão implantados e então passa por um ou dois aceleradores lineares (linacs) que aceleram os íons antes que eles atinjam o wafer em uma câmara de processo. Em implantadores de íons de corrente média, também existe uma armadilha de íons neutros antes da câmara de processo para remover os íons neutros do feixe de íons. Alguns dopantes, como o alumínio, muitas vezes não são fornecidos à fonte de íons como um gás, mas como um composto sólido à base de cloro ou iodo que é vaporizado em um cadinho próximo, como o Iodeto de alumínio ou o Cloreto de alumínio, ou como um alvo sólido de pulverização catódica dentro da fonte de íons feito de Óxido de alumínio ou Nitreto de alumínio. Implantar antimônio frequentemente requer o uso de um vaporizador acoplado à fonte de íons, no qual o trifluoreto de antimônio, trióxido de antimônio ou o antimônio sólido são vaporizados em um cadinho e um gás de transporte é usado para rotear os vapores para a fonte de íons adjacente, embora também possa ser implantado a partir de um gás contendo flúor, como o hexafluoreto de antimônio, ou vaporizado de pentafluoreto de antimônio líquido. Gálio, selênio e índio são frequentemente implantados a partir de fontes sólidas, como dióxido de selênio, embora o selênio também possa ser implantado a partir do seleneto de hidrogênio. Os cadinhos geralmente duram de 60 a 100 horas e evitam que os implantadores de íons mudem receitas ou parâmetros de processo em menos de 20 a 30 minutos. As fontes de íons podem durar frequentemente 300 horas. A seleção de "massa" (assim como em um espectrômetro de massa) é muitas vezes acompanhada pela passagem do feixe de íons extraído por uma região de campo magnético com um caminho de saída restrito por aberturas de bloqueio, ou "fendas", que permitem que apenas íons com um valor específico do produto de massa e velocidade/carga continuem ao longo da linha do feixe. Se a superfície do alvo for maior 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 do feixe e movimento do wafer é utilizada. Finalmente, a superfície implantada é acoplada a algum método de coleta da carga acumulada dos íons implantados, para que a dose entregue possa ser medida de forma contínua e o processo de implante seja interrompido no nível de dose desejado.
Aplicação na fabricação de dispositivos semicondutores
Dopagem A dopagem de semicondutores com boro, fósforo ou arsênio é uma aplicação comum da implantação iônica. Quando implantado em um semicondutor, cada átomo dopante pode criar um portador de carga no semicondutor após o recozimento. O recozimento é necessário após a implantação iônica para ativar os dopantes e pode ser realizado usando um forno de tubo ou em lote, Processamento Térmico Rápido, recozimento por lâmpada de flash, recozimento a laser ou outras técnicas de recozimento. Uma lacuna pode ser criada para um dopante do tipo p, e um elétron para um dopante do tipo n. Isso modifica a condutividade do semicondutor em suas proximidades. A técnica é usada, por exemplo, para ajustar a tensão de limiar de um MOSFET. A implantação iônica é prática devido à alta sensibilidade dos dispositivos semicondutores a átomos estranhos, já que a implantação iônica não deposita um grande número de átomos. Às vezes, como durante a fabricação de dispositivos SiC, a implantação iônica é realizada enquanto se aquece o wafer de SiC a 500 °C. Isso é conhecido como implante a quente e é usado para controlar danos à superfície do semicondutor. Implantes criogênicos (Crio-implantes) podem ter o mesmo efeito. As energias usadas na dopagem muitas vezes variam de 1 KeV a 3 MeV, e não é possível construir um implantador de íons capaz de fornecer íons em qualquer energia devido a limitações físicas. Para aumentar a produtividade dos implantadores de íons, esforços têm sido feitos para aumentar a corrente do feixe criado pelo equipamento. O feixe pode ser varrido através do wafer magneticamente, eletrostaticamente, mecanicamente ou com uma combinação dessas técnicas. Um ímã analisador de massa é usado para selecionar os íons que serão implantados no wafer. A implantação iônica também é usada em displays contendo transistores LTPS. A implantação iônica foi desenvolvida como um método para produzir a junção p-n em dispositivos fotovoltaicos no final da década de 1970 e início da década de 1980, juntamente com o uso de feixe de elétrons pulsado para o recozimento rápido, embora o feixe de elétrons pulsado para recozimento rápido ainda não tenha sido usado na produção comercial. A implantação iônica não é usada na maioria das células solares de silício; em vez disso, a dopagem por difusão térmica é o método empregado.
Silício sobre isolante Um método proeminente para preparar substratos de silício sobre isolante (SOI) a partir de substratos convencionais de silício é o processo SIMOX (separação por implantação de oxigênio), no qual um implante profundo de oxigênio de alta dose é convertido em óxido de silício por um processo de recozimento em alta temperatura.
Mesotaxia Mesotaxia é o termo usado para o crescimento de uma fase que coincide cristalograficamente abaixo da superfície do cristal hospedeiro (em comparação com a epitaxia, que é o crescimento da fase coincidente na superfície de um substrato). Neste processo, íons são implantados em uma energia e dose suficientemente altas 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 cristalina da camada pode ser projetada para corresponder à do alvo, mesmo que a estrutura cristalina exata e a constante de rede sejam muito diferentes. Por exemplo, após a implantação de íons de níquel em um wafer de silício, uma camada de silicieto de níquel pode ser crescida na qual a orientação cristalina do silicieto se alinha com a do silício.
Aplicação no acabamento de metais
Endurecimento de aço-ferramenta Nitrogênio ou outros íons podem ser implantados em um alvo de aço-ferramenta (brocas, por exemplo). A alteração estrutural causada pela implantação produz uma compressão na superfície do aço, o que impede a propagação de rachaduras e assim torna o material mais resistente à fratura. A mudança química também pode tornar a ferramenta mais resistente à corrosão.
Acabamento de superfície Em algumas aplicações, como em dispositivos protéticos e articulações artificiais, deseja-se ter superfícies muito resistentes tanto à corrosão química quanto ao desgaste por atrito. A implantação iônica é usada em tais casos para projetar as superfícies desses dispositivos de modo a proporcionar um desempenho mais confiável. Como no caso dos aços-ferramenta, a modificação da superfície causada pela implantação iônica inclui tanto uma compressão superficial que impede a propagação de trincas quanto a formação de uma liga na superfície para torná-la quimicamente mais resistente à corrosão.
Outras aplicações
Mistura por feixe de íons A implantação iônica pode ser usada para alcançar a mistura por feixe de íons, ou seja, misturar átomos de elementos diferentes em uma interface. Isso pode ser útil para obter interfaces graduadas ou reforçar a adesão entre camadas de materiais imiscíveis.
Formação de nanopartículas induzida por implantação iônica A implantação iônica pode ser usada para induzir a formação de partículas de escala nanométrica em óxidos, como safira e sílica. As partículas podem se formar como resultado da precipitação da espécie implantada, da produção de uma espécie de óxido misto que contém tanto o elemento implantado quanto o substrato do óxido, ou devido a uma redução do substrato, como foi relatado primeiramente por Hunt e Hampikian. As energias típicas dos feixes de íons usadas para produzir nanopartículas variam de 50 a 150 keV, com fluências de íons variando de 1016 a 1018 íons/cm2. A tabela abaixo resume alguns dos trabalhos realizados neste campo com substrato de safira. Uma ampla variedade de nanopartículas pode ser formada, com tamanhos variando de 1 nm a 20 nm, e com composições que podem conter as espécies implantadas, combinações do íon implantado e do substrato, ou formadas unicamente a partir do cátion associado ao substrato. Materiais compósitos baseados em dielétricos como a safira, que contêm nanopartículas metálicas dispersas, são materiais promissores para a optoeletrônica e a óptica não linear.
Problemas com a implantação iônica
Danos cristalográficos Cada íon individual produz muitos defeitos pontuais no cristal do alvo após o impacto, tais como vacâncias e interstícios. As vacâncias são pontos na rede cristalina não ocupados por um átomo: neste caso, o íon colide com um átomo do alvo, resultando na transferência de uma quantidade significativa de energia ao átomo do alvo, de modo que ele deixa seu local original no cristal. Este átomo do alvo torna-se ele mesmo um projétil dentro do sólido e pode causar eventos de colisão sucessivos. Os defeitos intersticiais resultam quando esses átomos (ou o próprio íon original) param dentro do sólido, mas não encontram espaço livre na rede cristalina para se alocar. Esses defeitos pontuais podem migrar e se agrupar, resultando em discordâncias circulares e outros tipos de defeitos. Diferentes espécies de íons, dosagens de implantação e energias podem levar a diferentes tipos de defeitos. Tensão e distorção local também aparecerão como resultado do processo de implantação iônica.
Recuperação de danos Devido a implantação iônica causar danos indesejáveis à estrutura cristalina do alvo, esse processo é frequentemente seguido por um recozimento térmico para restaurar a estrutura cristalina, uma vez que o tratamento térmico fornece energia extra à rede. Algumas técnicas comuns de recozimento incluem o recozimento convencional em forno, recozimento térmico rápido (RTA) e o recozimento a laser. O RTA e o recozimento a laser têm tempos de recozimento muito mais curtos, o que limita significativamente a difusão dos dopantes, enquanto o recozimento em forno pode atingir melhor uniformidade.
Amorfização A quantidade de danos cristalográficos pode ser suficiente para amorfizar completamente a superfície do alvo: ou seja, pode torná-la um sólido amorfo (quando tal sólido é 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 recrescido em uma temperatura mais baixa do que a necessária para recozer um cristal altamente danificado. A amorfização do substrato pode ocorrer como resultado do dano pelo feixe. Por exemplo, a implantação de íons de ítrio em safira com uma energia de feixe de 150 keV e fluência de 5*1016 Y+/cm2 produz uma camada vítrea amorfa de aproximadamente 110 nm de espessura, medida a partir da superfície externa. [Hunt, 1999]
Pulverização catódica (Sputtering) Alguns dos eventos de colisão fazem com que os átomos sejam ejetados (pulverizados) a partir da superfície e, assim, a implantação iônica, aos poucos, corroerá (etch) a superfície. O efeito só se torna apreciável em doses muito altas.
Canalização de íons
Se houver uma estrutura cristalográfica no alvo, e especialmente em substratos de semicondutores onde a estrutura cristalina é mais "aberta", certas direções cristalográficas oferecem muito menos poder de parada do que outras direções. O resultado é que o alcance de um íon pode ser muito maior se ele viaja exatamente ao longo de uma direção específica, por exemplo, a direção <110> no silício e outros materiais de sistema cúbico de diamante. Esse efeito é chamado de canalização de íons e, assim como todos os efeitos de canalização, é altamente não-linear, onde pequenas variações em relação à orientação perfeita resultam em extremas diferenças na profundidade da implantação. Por esse motivo, a maior parte das implantações é realizada com alguns graus fora do eixo principal, onde minúsculos erros de alinhamento terão efeitos mais previsíveis. A canalização de íons pode ser usada diretamente no Retroespalhamento de Rutherford e em técnicas correlatas como um método analítico para determinar a quantidade e o perfil de profundidade dos danos em materiais cristalinos de filmes finos.
Segurança
Materiais perigosos Na fabricação de wafers, materiais tóxicos como a arsina e a fosfina são frequentemente usados no processo do implantador de íons. Outros elementos carcinogênicos, corrosivos, inflamáveis ou tóxicos comuns incluem antimônio, arsênio, fósforo e boro. As instalações de fabricação de semicondutores são altamente automatizadas, mas pode-se encontrar resíduos de elementos perigosos nas máquinas durante o seu serviço e no equipamento de bombas de vácuo.
Altas tensões e aceleradores de partículas Fontes de alimentação de alta tensão usadas em aceleradores de íons para a implantação iônica podem representar o risco de lesão elétrica. Além disso, colisões atômicas de alta energia podem gerar raios X e, em alguns casos, outras radiações ionizantes e radionuclídeos. Adicionalmente à alta tensão, os aceleradores de partículas, tais como os aceleradores de partículas lineares de radiofrequência e os aceleradores de plasma wakefield a laser, apresentam outros riscos inerentes.
Ver também Stopping and Range of Ions in Matter Implantação iônica por imersão em plasma
Referências
Ligações externas
Predefinição:Ciência do vidro