İyon yerleştirmesi

İyon yerleştirmesi bir materyal mühendisliği süreci olup, bir materyalin iyonlarının bir elektrik alan içerisinde ivmelendirilip bir katı içerisine gömülmesi işlemidir. Bu süreç bir katının fiziksel, kimyasal veya elektriksel özelliklerini değiştirmek için kullanılır. İyon yerleştirmesi materyal bilim araştırmalarının, yarı iletken cihaz fabrikasyonu ve metal bitirme gibi değişik uygulamalarında kullanılır. İyonlar, hedefin elementel kompozisyonundan sonra, eğer iyonlar hedeften olan kompozisyondan farklıysa, hedefin içerisinde durur ve orada kalırlar. Ayrıca enerjilerini ve momentumlarını hedef objenin elektronlarına ve atomik çekirdeğine aktararak birçok fiziksel ve kimyasal değişikliğe de sebep olabilirler. Bu, art arda olan enerjitik çarpışmalarda hedefin kristal yapı içerisindeki yapısı hasar görebilir veya yok olabilir, bu da yapısal değişikliğe sebep olur. İyonların hedef atomlara yakın kütleleri olduğu için hedef atomlara, elektron ışınlarının yaptığından daha fazla miktarda bir dışa vuruş yaparlar. Eğer iyon enerjisi coulomb bariyerini aşmaya yeterli miktarda yüksekse (genellikle MeV’nin onlarcası kadar), o zaman burada küçük miktarda bir nükleer değiştirilme bile olabilir.

Genel prensip

Kütle ayrıştırıcılı iyon yerleştirme sistemi

İyon yerleştirmesi araçları genelde iyonların arzu ettiği elementte üretildikleri bir iyon kaynağından, iyonların elektrostatik bir şekilde yüksek enerjiye ivmelendirildikleri bir hızlandırıcıdan ve iyonların, üzerine yerleştirilecekleri materyalin üzerine gömüldükleri bir hedef çemberinden oluşur. Bu sebeple iyon yerleştirmesi, parçacık radyasyonunun özel bir durumudur. Her bir iyon tipik olarak tek bir atom veya moleküldür. Bu sebepten dolayı hedef üzerine yerleştirilen materyalin gerçek miktar iyon akımının zaman üzerindeki integralidir. Bu miktara doz denir. Yerleştirenler tarafından sağlanan akımlar tipik olarak küçüklerdir (mikroamper) ve bu sebeple birim zamanda yerleştirilebilen doz miktarı azdır. Bu sebepten dolayı, iyon yerleştirmesi kimyasal değişim miktarının az olması gereken yerlerde uygulanır.

Tipik iyon enerjileri 10-500 keV (1,600 to 80,000 aJ) aralığındadır. 1-10 keV (160 to 1,600 aJ) aralığındaki enerjiler de kullanılabilir fakat sadece birkaç nanometre veya daha az oranda bir delinmeyle sonuçlanır. Bu sonuçtan daha düşük enerjiler, hedefe çok az zarar verir ve iyon ışını döküntüsü klasmanına düşerler. Yüksek enerjiler de kullanılabilir: 5 MeV (800,000 aJ) gücünde hızlandırıcılar mevcuttur. Fakat genelde hedefe çok büyük yapısal hasar verirler ve derinlik dağılımı geniş olduğu için (Bragg tepe noktası), hedefin herhangi bir noktasındaki net kompozisyon değişimi küçük olacaktır.

İyon türü ve hedefin türü kadar iyonların enerjisi de bu iyonların katının içerisine ne kadar girebileceğini belirler: Bir monoenerjitik iyon ışını genelde geniş bir derinlik dağılımına sahiptir. Ortalama delme derinliğine iyonların menzili denir. Tipik şartlar altında iyon menzili 1-10 nanometre arasıdır. Bu yüzden iyon yerleştirmesi, özellikle kimyasal veya yapısal değişimin, hedefin yüzeyinde olduğu durumlarda çok kullanışlıdır. İyonlar katı içerisinde hareket ettikçe, hem hedef atomlarla olan çarpışmaları (belirli oranda enerjilerini kaybederler ) hem de sürekli bir süreç olan elektron orbitallerinin hafif çekme üst üste gelmesinden dolayı enerji kaybederler. Hedefteki iyon enerji kaybına durdurma denir ve ikili çarpışma yaklaşımı metodu ile canlandırılır.

İyon yerleştirmesi için olan hızlandırıcı sistemleri genelde şöyle sınıflandırılır:

Orta derece akım-iyon ışını şiddeti 10 μA ve ~2 mA arasıdır.
Yüksek derece akım- iyon ışını akımı ~30 mA’e kadardır
Yüksek enerji-iyon enerjileri 200 keV ve 10 MeV arasıdır.
Çok yüksek dozda etkili implant dozu 1016 iyon/cm²’den daha fazladır.

İyon yerleştirmesi ışın dizaynlarının tüm çeşitleri fonksiyonel bileşenlerin genel gruplarını içerir (resme bakınız). İyon ışın yolunun ilk önemli sekmesi - iyon kaynağı denilen ve iyon türlerini üreten bir cihaz vardır. Kaynak, iyonların ışın çizgisine çıkarılmaları için etkilenmiş elektrotlarla yakınca eşleştirilmiş ve çoğunlukla da belirli bir iyon sütü ana hızlandırma kısmı için taşıyıcı olarak seçilir. “Kütle” seçimi genellikle manyetik alan bölgesi içerisinden çıkartılan iyon ışını pasajıyla ve yolu kapatan birkaç cisim veya “yarık” denilen ve sadece belirli kütle, hız/yük bakımına kesin bir değerde olan iyonların devam etmesine izin verilir ve diğerlerinin çıkış yolu kesilir. Eğer hedef yüzey iyon ışını çapından büyükse ve yerleştirilen dozun eşit miktardaki dağılışı eğer hedef yüzeyde istenilen düzeydeyse, o zaman ışın tarayan kombinasyonlar ve wafer hareketi kullanılır. Son olarak, yerleştirilmiş yüzey birikmiş yükleri toplamada kullanılan bir metotla eşlenir ve bu sayede iletilen doz sürekli bir şekilde incelenir ve yerleştirme süreci istenilen doz düzeyinde sona erer.

Yarıiletken cihaz fabrikasyonunda uygulamalar

Doping

Yarı iletkenlerdeki katkılayıcılara giriş iyon yerleştirmesinin en bilinen uygulamasıdır. Boron, fosfenik ve arsenik gibi katkılayıcı iyonları bir gaz kaynağından oluşur, bu sayede kaynağın saflığı çok yüksek olabilir. Bu gazların çok zehirleyici olmaya eğilimleri vardır. Bir yarı iletken içerisinde yerleştirildiği zaman, her bir katkılayıcı atom, yarıiletken içerisinde sertleştirildikten sonra bir yük kariyeri oluşturabilir. P-tipi katkılayıcılar için bir delik ve N-tipi katkılayıcılar için de bir elektron oluşturulabilir. Bu, yarı iletkenin çevresi içerisindeki iletkenliği modifiye eder. Bu teknik, örneğin bir MOSFET’in eşiğini ayarlamak için kullanılır. İyon yerleştirmesi bir metot olarak, ftovoltaik cihazların p-n birleşme yerlerini üretmek için 1970'lerin sonlarında ve 1980’lerin başlarında, reklamsal üretim için kullanılmamış olmasında rağmen sürekli sertleştirme için olan nabızsal- elektron ışını olarak geliştirilmiştir.

Yalıtkan üzerindeki silikon

Bir iletken üzerinde silikon hazırlamak için öne çıkan bir yöntem (SOI), geleneksel silikon alt katmanlarından gelen ve yüksek sıcaklıkta sertleştirme sürecinde, içerisinde gömülmüş yüksek dozda oksijen yerleşkesinin silikon okside dönüştürüldüğü SIMOX (Oksijenin yerleştirme sayesindeki ayrımı) sürecidir.

Mezotaksi

Mezotaksi, ev sahibi kristalin (bir alt katmanın yüzeyindeki eşleşen fazın büyümesi olan epitaksiye kıyasla) altında yatan, kristaljeografik olarak eşleşen fazının büyümesi için kullanılan terimdir. Bu süreçte, iyonlar bir materyalin içerisinde yeterince yüksek enerjide ve dozda, ikici fazda bir katman yapmak için yerleştirilir ve sıcaklık da hedefin kristal yapışının parçalanmaması için kontrol edilir. Katmanın kristal oryantasyonun hedefinkiyle eşleşmesi için, gerçek kristal yapı ve latis sabiti farklı olsa bile, bir çalışma yapılabilir. Örneğin, nikel iyonlarının silikon waferına yerleştirilmesinden sonra, nikel silikidin bir katmanı silisidin kristal oryantasyonunun silikonunkiyle eşleştiği yerde gelişebilir.

Metal bitirmedeki uygulaması

Çelik araç sertleştirilmesi

Nitrojen ve başka iyonlar, hedef çelik aletler (matkap bitleri gibi) içerisine yerleştirilebilirler. Yerleştirme sonuçlu yapısal değişim, çelik içerisinde yüzey basıncı oluşturur, bu çatlak propogasyonunu engeller ve bu sebepten dolayı materyali kırıklara dayanıklı hale getirir. Kimyasal değişim aynı zamanda aleti aşınmaya da daha dayanıklı hale getirebilir.

Yüzey bitirme

Bazı uygulamalarda, mesela yapay mafsal prostetik cihazlar gibi, kimyasal aşınmaya veya sürtünme kaynaklı oluşumlara karşı dayanıklı yüzeylere sahip olunması istenmektedir. İyon yerleştirmesi, bazı cihazların daha güvenilir performanslar göstermesi i.in yüzeylerinin yapılmasında kullanılır. Çelik aletler durumundaki gibi, iyon yerleştirmesi kaynaklı yüzey modifikasyonu hem çatlak yayılımını önlemek için olan yüzey kompresyonu hem de yüzeyin kimyasal aşınmaya daha dayanıklı hale gelmesi için alaşımlanmasını içerir. .

Başka uygulamalar

İyon ışını karıştırması

İyon yerleştirmesi, iyon ışını karıştırma işlemi için kullanılabilir, ör: bir interfazda değişik elementlerin atomlarını karıştırma. Bu, derecelendirilmiş interfazlara ulaşmada veya birbirine karışmayan materyallerin yüzeyleri arasındaki adezyonu güçlendirmek için kullanılabilir.

İyon yerleştirmesi ile ilgili problemler

Kristalografik hasar

Her bir iyon, hedef kristalde boşluk ve çatlak gibi birçok nokta bozukluğuna sebep olabilir. Boşluklar, bir atom tarafından doldurulmamış kristal latis noktalarıdır bu durumda iyon, hedef bir atom ile çarpışır ve bu, çok miktarda enerjinin hedef atoma aktarılmasına ve kristal yüzeyi terk etmesine sebep olur. Bu hedef atom katı içerisinde başlı başına bir projektil olur ve başarılı çarpışma olaylarına sebeptir. Çatlaklar böyle atomlar (ya da orijinal iyonun kendisi) katı içerisinde dinlenmeye geldiği zaman olur, fakat latis içerisinde duracak bir boşuk bulamaz. Bu nokta sonuçları birbirleriyle kümeleşip göç edebilirler ve bu, dislokasyon döngüsü ve başka bozukluklarla sonuçlanır.

Hasar iyileşmesi

İyon yerleştirmesi genellikle istenmeyen hedefin kristal yapısına zarar verdiği için, bu süreç genellikle termal sertleştirme ile birlikte yapılır. Bu, hasar iyileşmesi ile ilişkilendirilebilir.

Amorfizasyon

Kristalografik hasar miktarı, hedefin yüzeyini tamamen amorfize etmek için yeterli olabilir: örneğin biçimsiz bir katı haline (mesela bir eriyikten oluşan katıya cam denir) dönüşebilir. Bazı durumlarda, bir hedefin tam amorfizasyonu yüksek miktarda kusurlu olan bir kristale tercih edilebilir: Amorfize olmuş bir film, yüksek miktarda hasar görmüş bir kristali sertleştirmek için gerekli sıcaklıktan daha düşük bir sıcaklıkta tekrar büyüyebilir.

Püskürtme

Bazı çarpışma olayları atomların yüzeyden atılımına (püskürtülmesine) ve bu sebeple iyon yerleştirmesinin yüzeyi yavaşça oymasına sebep olur. Bu etki ancak çok büyük dozlarda fark edilebilir.

İyon kanal oluşumu

<110> yönünden gösterilen ve hegzagonal iyon kanallarını gösteren bir kübik elmas kristali.

Eğer hedefe bir kristalografik bir yapı varsa ve özellikle kristal yapının daha açık olduğu bir yarıiletken substratlarında, kısmi kristalografik yönler başka yönlerden ziyade daha düşük durma önerirler. Sonuç olarak bir iyonun menzili eğer bu iyon belirli bir yönde ilerliyorsa, örneğin silikonun <110> yönü ve başka elmas kübik materyaller gibi, daha uzun olabilir. Bu efekte iyon kanallaşması denir ve bütün kanallaştırma etkileri gibi çok yüksek oranda, lineer olmayandır. Bu nedenden dolayı birçok yerleştirme eksenden dışarı birkaç derece taşınır ve burada küçük hizasal hataların daha tahmin edilebilir etkileri olur. İyon kanallaştırması direkt olarak Rutherford arka saçılmasında ve alakalı tekniklerde, ince kristal materyallerine gelen derinlik zararlarının profillerini saptamada analitik bir metot olarak kullanılabilir.

Tehlikeli materyal notları

Waferlerin yarı iletken iyon yerleştirmesi fabrikasyonu süreci içerisinde, işçilerin iyon yerleştirme süresinde kullanılan zehirli materyalin etkisini en aza indirmesi önemlidir. Böyle tehlikeli elementler, katı kaynaklar, Arsin gazı ve fosfin gibi gazlar kullanılır. Bu sebepten dolayı, yarı iletken fabrikasyonu şirketleri yüksek derecede otomatikleştirilmiştir ve negatif basınçlı gaz şişelerinin güvenli iletim sistemlerini oluşturmuşlarıdır (SDS). Başka elementler antimon, arsenik, fosfor ve bor içerebilir. Bu elementlerin tortusu makineler atmosfere açıldığında ortaya çıkar ve vakum pompası sistemlerinde birikebilir ve bulunabilirler. Kendinizi bu karniyogenik, aşındırıcı, yanıcı ve zehirli elementlere maruz bırakmamanız önemlidir. Birçok güvenlik protokolü bu gibi elementleri tutarken kullanılmalıdır.

Yüksek voltaj güvenliği

İyon yerleştirme ekipmanı içerisindeki yüksek voltaj enerji kaynağı elektrokusyonun bir riski olabilir. Buna ek olarak, yüksek enerjili atom çarpışmaları X-ray ve bazı durumlarda başka iyonize eden radyasyon ve radyo çekirdekleri üretebilir. Operatörler ve koruyucu personel, cihazdan sorumludur.