زرع الأيونات

تتضمن جميع أنواع تصميمات خطوط حزم زرع الأيونات مجموعات عامة من المكونات الوظيفية (انظر الصورة). يشمل الجزء الرئيسي الأول من خط حزمة الأيونات مصدرًا للأيونات يُستخدم لتوليد أنواع الأيونات. يرتبط المصدر ارتباطًا وثيقًا بأقطاب كهربائية متحيزة لاستخلاص الأيونات إلى خط الحزمة، وغالبًا ما يرتبط أيضًا بوسيلة لاختيار نوع معين من الأيونات لنقله إلى قسم المسرع الرئيسي.

غالبًا ما يُصنع مصدر الأيونات من مواد ذات درجة انصهار عالية، مثل التنجستن، والتنجستن المُطعّم بأكسيد اللانثانوم (التنجستن المُلانثاني)، والموليبدينوم، والتنتالوم. يُساعد أكسيد اللانثانوم على إطالة عمر مصدر الأيونات. ^{[ 4 ]} في كثير من الأحيان، يتم توليد بلازما داخل مصدر الأيونات بين قطبين كهربائيين من التنجستن، يُطلق عليهما اسم العاكسات، باستخدام غاز غالبًا ما يكون أساسه الفلور أو الهيدروجين، ويحتوي على الأيون المراد زرعه، سواء كان جرمانيومًا أو بورونًا أو سيليكونًا ، مثل ثلاثي فلوريد البورون، ^{[ 5 ]} أو ثنائي فلوريد البورون، ^{[ 6 ]} أو رباعي فلوريد الجرمانيوم، أو رباعي فلوريد السيليكون. ^{[ 7 ]} يُمكن استخدام غاز الأرسين أو غاز الفوسفين في مصدر الأيونات لتوفير الزرنيخ أو الفوسفور، على التوالي، للزرع. ^{[ 8 ]} يحتوي مصدر الأيونات أيضًا على مهبط مُسخّن بشكل غير مباشر. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام هذا المهبط المُسخّن كأحد العاكسات، مما يلغي الحاجة إلى عاكس مخصص، ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أو يتم استخدام مهبط مُسخّن مباشرة. ^{[ 12 ]}

يمكن استخدام الغازات القائمة على الأكسجين (الأكاسيد) لتوفير الأيونات اللازمة للزرع، مثل ثاني أكسيد الكربون لزرع الكربون . ويمكن إضافة الهيدروجين، أو الهيدروجين مع الزينون أو الكريبتون أو الأرجون، إلى البلازما لإبطاء تحلل مكونات التنجستن الناتج عن دورة الهالوجين. ^{[ 7 ] [ 11 ] [ 13 ] [ 6 ]} ويمكن الحصول على الهيدروجين من أسطوانة ضغط عالٍ أو من مولد هيدروجين يستخدم التحليل الكهربائي. ^{[ 14 ]} تعمل طاردات عند طرفي مصدر الأيونات على تحريك الذرات باستمرار من أحد طرفي المصدر إلى الآخر، تمامًا كمرآتين موجهتين نحو بعضهما البعض تعكسان الضوء باستمرار. ^{[ 9 ]}

تُستخلص الأيونات من المصدر بواسطة قطب استخلاص خارج مصدر الأيونات عبر فتحة شقّية الشكل في المصدر، ^{[ 15 ] [ 16 ]} ثم يمر شعاع الأيونات عبر مغناطيس تحليل لاختيار الأيونات المراد زرعها، ثم يمر عبر مُسرِّع خطي واحد أو اثنين ^{[ 17 ] [ 18 ]} لتسريع الأيونات قبل وصولها إلى الرقاقة في حجرة المعالجة. ^{[ 18 ]} في أجهزة زرع الأيونات متوسطة التيار، يوجد أيضًا مصيدة أيونات متعادلة قبل حجرة المعالجة لإزالة الأيونات المتعادلة من شعاع الأيونات. ^{[ 19 ]}

لا تُزوَّد بعض المواد المُطعِّمة، كالألومنيوم، بمصدر الأيونات عادةً على شكل غاز، بل على شكل مركب صلب قائم على الكلور أو اليود، يُبَخَّر في بوتقة مجاورة، مثل يوديد الألومنيوم أو كلوريد الألومنيوم ، أو على شكل هدف رش صلب داخل مصدر الأيونات مصنوع من أكسيد الألومنيوم أو نتريد الألومنيوم . ^{[ 14 ]} يتطلب زرع الأنتيمون غالبًا استخدام مُبَخِّر مُتصل بمصدر الأيونات، حيث يُبَخَّر ثلاثي فلوريد الأنتيمون، أو ثلاثي أكسيد الأنتيمون، أو الأنتيمون الصلب في بوتقة، ويُستخدم غاز ناقل لتوجيه الأبخرة إلى مصدر أيونات مجاور. مع ذلك، يُمكن أيضًا زرعه من غاز يحتوي على الفلور، مثل سداسي فلوريد الأنتيمون، أو مُبَخَّرًا من خماسي فلوريد الأنتيمون السائل. ^{[ 7 ]} غالبًا ما يُزرع الغاليوم والسيلينيوم والإنديوم من مصادر صلبة، مثل ثاني أكسيد السيلينيوم للسيلينيوم، مع إمكانية زرعه أيضًا من سيلينيد الهيدروجين. تدوم البواتق عادةً من 60 إلى 100 ساعة، وتمنع أجهزة زرع الأيونات من تغيير الوصفات أو معايير العملية في أقل من 20 إلى 30 دقيقة. أما مصادر الأيونات، فقد تدوم في كثير من الأحيان 300 ساعة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

غالبًا ما تترافق عملية اختيار "الكتلة" (كما هو الحال في مطياف الكتلة ) مع مرور حزمة الأيونات المستخرجة عبر منطقة مجال مغناطيسي، حيث يكون مسار الخروج مقيدًا بفتحات حاجبة، أو "شقوق"، تسمح فقط للأيونات ذات قيمة محددة لحاصل ضرب الكتلة والسرعة/الشحنة بالاستمرار في مسار الحزمة. إذا كان سطح الهدف أكبر من قطر حزمة الأيونات، وكان المطلوب توزيعًا منتظمًا للجرعة المزروعة على سطح الهدف، فسيتم استخدام مزيج من مسح الحزمة وحركة الرقاقة. أخيرًا، يتم ربط السطح المزروع بطريقة ما لجمع الشحنة المتراكمة للأيونات المزروعة، بحيث يمكن قياس الجرعة المُسلّمة بشكل مستمر، وإيقاف عملية الزرع عند مستوى الجرعة المطلوب. ^{[ 20 ]}

يُعدّ تطعيم أشباه الموصلات بالبورون أو الفوسفور أو الزرنيخ تطبيقًا شائعًا لتقنية زرع الأيونات. عند زرع ذرة من هذه الذرات في شبه موصل، يُمكنها توليد حامل شحنة بعد عملية التلدين . يُعدّ التلدين ضروريًا بعد زرع الأيونات لتنشيط الذرات المُطعِّمة، ويمكن إجراؤه باستخدام فرن أنبوبي أو فرن دفعي، أو المعالجة الحرارية السريعة، أو التلدين بمصباح وميضي، أو التلدين بالليزر، أو غيرها من تقنيات التلدين. يُمكن توليد ثقب إلكتروني لذرة مُطعِّمة من النوع p ، وإلكترون إلكتروني لذرة مُطعِّمة من النوع n . يُؤدي ذلك إلى تعديل موصلية شبه الموصل في المنطقة المحيطة بها. تُستخدم هذه التقنية، على سبيل المثال، لضبط جهد العتبة لترانزستور MOSFET . يُعدّ زرع الأيونات عمليًا نظرًا لحساسية أجهزة أشباه الموصلات العالية للذرات الغريبة، حيث لا يتطلب زرع الأيونات ترسيب أعداد كبيرة من الذرات. ^{[ ٢ ]} في بعض الأحيان، كما هو الحال أثناء تصنيع أجهزة كربيد السيليكون، تُجرى عملية زرع الأيونات بتسخين رقاقة كربيد السيليكون إلى ٥٠٠  درجة مئوية. ^{[ ٢١ ]} يُعرف هذا بالزرع الساخن، ويُستخدم للتحكم في تلف سطح أشباه الموصلات. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ] [ ٢٤ ]} يمكن أن يكون للزرع المبرد (الزرع المبرد) التأثير نفسه. ^{[ ٢٥ ]}

تتراوح الطاقات المستخدمة في التطعيم عادةً بين 1 كيلو إلكترون فولت و3 ميجا إلكترون فولت، ولا يمكن بناء جهاز زرع أيوني قادر على توفير أيونات بأي طاقة نظرًا للقيود الفيزيائية. ولزيادة إنتاجية أجهزة الزرع الأيوني، بُذلت جهود لزيادة تيار الحزمة المُولّدة بواسطة الجهاز. ^{[ 2 ]} يمكن مسح الحزمة عبر الرقاقة مغناطيسيًا، أو كهروستاتيكيًا، ^{[ 26 ]} أو ميكانيكيًا، أو باستخدام مزيج من هذه التقنيات. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} يُستخدم مغناطيس محلل الكتلة لاختيار الأيونات المراد زرعها على الرقاقة. ^{[ 30 ]} يُستخدم زرع الأيونات أيضًا في شاشات العرض التي تحتوي على ترانزستورات LTPS. ^{[ 18 ]}

طُوِّرت تقنية زرع الأيونات كطريقة لإنتاج وصلة pn في الأجهزة الكهروضوئية في أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي، ^{[ 31 ]} إلى جانب استخدام حزمة الإلكترونات النبضية للتلدين السريع، ^{[ 32 ]} مع أن حزمة الإلكترونات النبضية للتلدين السريع لم تُستخدم حتى الآن في الإنتاج التجاري. لا تُستخدم تقنية زرع الأيونات في معظم خلايا السيليكون الكهروضوئية، بل يُستخدم بدلاً منها التطعيم بالانتشار الحراري. ^{[ 33 ]}

إحدى الطرق البارزة لإعداد ركائز السيليكون على العازل (SOI) من ركائز السيليكون التقليدية هي عملية SIMOX (الفصل عن طريق زرع الأكسجين)، حيث يتم تحويل زرع الأكسجين المدفون بجرعة عالية إلى أكسيد السيليكون عن طريق عملية التلدين بدرجة حرارة عالية .

يُطلق مصطلح "النمو الميزوتاكسي" على نمو طور مطابق بلوريًا أسفل سطح البلورة الأصلية (قارن بالنمو الإبيتاكسي ، وهو نمو الطور المطابق على سطح الركيزة). في هذه العملية، تُزرع أيونات بطاقة وجرعة عاليتين في المادة لتكوين طبقة من طور ثانٍ، مع التحكم في درجة الحرارة للحفاظ على البنية البلورية للهدف. يمكن هندسة اتجاه بلورة الطبقة ليطابق اتجاه بلورة الهدف، حتى وإن كانت البنية البلورية وثابت الشبكة مختلفين تمامًا. على سبيل المثال، بعد زرع أيونات النيكل في رقاقة سيليكون، يمكن تنمية طبقة من سيليسيد النيكل بحيث يتطابق اتجاه بلورة السيليسيد مع اتجاه بلورة السيليكون.

يمكن غرس النيتروجين أو أيونات أخرى في هدف من فولاذ الأدوات (مثل رؤوس المثاقب). يُحدث التغيير البنيوي الناتج عن الغرس ضغطًا سطحيًا في الفولاذ، مما يمنع انتشار الشقوق ويجعل المادة أكثر مقاومة للكسر. كما يمكن أن يجعل التغيير الكيميائي الأداة أكثر مقاومة للتآكل .

في بعض التطبيقات، كالأجهزة التعويضية مثل المفاصل الاصطناعية، يُفضّل أن تكون الأسطح شديدة المقاومة للتآكل الكيميائي والاحتكاك. تُستخدم تقنية زرع الأيونات في هذه الحالات لتعديل أسطح هذه الأجهزة هندسيًا لضمان أداء أكثر موثوقية. وكما هو الحال في فولاذ الأدوات، يشمل تعديل السطح الناتج عن زرع الأيونات ضغطًا سطحيًا يمنع انتشار الشقوق، بالإضافة إلى إضافة سبيكة إلى السطح لزيادة مقاومته الكيميائية للتآكل.

يمكن استخدام تقنية زرع الأيونات لتحقيق مزج حزم الأيونات ، أي مزج ذرات العناصر المختلفة عند سطح التماس. قد يكون هذا مفيدًا لتحقيق أسطح تمايز متدرجة أو لتعزيز التماسك بين طبقات المواد غير القابلة للامتزاج.

يمكن استخدام غرس الأيونات لتحفيز تكوين جسيمات نانوية الأبعاد في أكاسيد مثل الياقوت والسيليكا . قد تتشكل هذه الجسيمات نتيجة ترسيب الأيونات المغروسة، أو نتيجة إنتاج نوع أكسيدي مختلط يحتوي على كل من العنصر المغروس والأكسيد الأساسي، أو نتيجة اختزال الركيزة، وهو ما ذكره هانت وهامبيكيان لأول مرة. [ ^{34 ] [ 35 ] [ 36 ] تتراوح طاقات حزمة الأيونات المستخدمة عادةً لإنتاج الجسيمات النانوية بين 50 و150 كيلو إلكترون فولت ،} مع كثافة أيونية تتراوح بين 10¹⁶ ^و10¹⁸ أيون / ^سم² . ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} يلخص الجدول أدناه بعض الأعمال التي أُنجزت في هذا المجال لركيزة الياقوت. يمكن تكوين مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية، بأحجام تتراوح من 1 نانومتر إلى 20 نانومتر، وبتراكيب قد تحتوي على الأنواع المزروعة، أو مزيج من الأيون المزروع والركيزة، أو تتكون فقط من الكاتيون المرتبط بالركيزة.  

تُعد المواد المركبة القائمة على مواد عازلة مثل الياقوت والتي تحتوي على جسيمات نانوية معدنية متناثرة مواد واعدة للإلكترونيات الضوئية والبصريات غير الخطية . ^{[ 41 ]}

يُحدث كل أيون منفرد العديد من العيوب النقطية في البلورة المستهدفة عند اصطدامه، مثل الفراغات والذرات البينية. الفراغات هي نقاط في الشبكة البلورية غير مشغولة بذرة: في هذه الحالة، يصطدم الأيون بذرة مستهدفة، مما يؤدي إلى انتقال كمية كبيرة من الطاقة إليها، فتغادر موقعها البلوري. تصبح هذه الذرة المستهدفة نفسها مقذوفًا في المادة الصلبة، ويمكن أن تتسبب في أحداث تصادم متتالية . أما الذرات البينية فتنتج عندما تستقر هذه الذرات (أو الأيون الأصلي نفسه) في المادة الصلبة، لكنها لا تجد مساحة فارغة في الشبكة البلورية لتستقر فيها. يمكن لهذه العيوب النقطية أن تنتقل وتتجمع مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى حلقات انخلاع وعيوب أخرى. يمكن أن تؤدي أنواع الأيونات المختلفة، وجرعة الزرع، والطاقة إلى أنواع مختلفة من العيوب. كما يظهر الإجهاد والتشوه الموضعي نتيجة لزرع الأيونات.

نظرًا لأن عملية زرع الأيونات تُسبب تلفًا غير مرغوب فيه في البنية البلورية للهدف، فغالبًا ما تُتبع هذه العملية بمعالجة حرارية لاستعادة البنية البلورية، إذ تُوفر المعالجة الحرارية طاقة إضافية للشبكة البلورية. تشمل بعض تقنيات المعالجة الحرارية الشائعة: المعالجة الحرارية التقليدية في الفرن، والمعالجة الحرارية السريعة (RTA)، والمعالجة الحرارية بالليزر. تتميز المعالجة الحرارية السريعة والمعالجة الحرارية بالليزر بأوقات معالجة أقصر بكثير، مما يحد بشكل كبير من انتشار الشوائب، بينما تُحقق المعالجة الحرارية التقليدية في الفرن تجانسًا أفضل.

قد يكون مقدار التلف البلوري كافيًا لتحويل سطح الهدف إلى مادة غير متبلورة تمامًا، أي أنه قد يصبح مادة صلبة غير متبلورة (تُسمى هذه المادة الصلبة الناتجة عن انصهار بالزجاج ). في بعض الحالات، يُفضل تحويل الهدف إلى مادة غير متبلورة تمامًا على وجود بلورة ذات عيوب كثيرة: إذ يمكن إعادة نمو طبقة غير متبلورة عند درجة حرارة أقل من تلك المطلوبة لتلدين بلورة متضررة بشدة. قد يحدث تحويل الركيزة إلى مادة غير متبلورة نتيجة لتلف الشعاع. على سبيل المثال، ينتج عن زرع أيونات الإيتريوم في الياقوت بطاقة شعاع أيوني تبلغ 150 كيلو إلكترون فولت وبكثافة 5 × 10¹⁶ ^أيون  إيتريوم ^/ سم² ^طبقة زجاجية غير متبلورة  بسمك 110 نانومتر تقريبًا، مقاسة من السطح الخارجي. ^{[ 34 ]}

تؤدي بعض أحداث التصادم إلى قذف الذرات ( تذريتها ) من السطح، وبالتالي فإن غرس الأيونات سيؤدي إلى تآكل السطح ببطء. ولا يكون هذا التأثير ملحوظًا إلا عند استخدام جرعات كبيرة جدًا.

إذا كان للهدف بنية بلورية، وخاصة في ركائز أشباه الموصلات حيث تكون البنية البلورية أكثر انفتاحًا، فإن اتجاهات بلورية معينة توفر قدرة توقف أقل بكثير من الاتجاهات الأخرى. ونتيجة لذلك، يمكن أن يكون مدى الأيون أطول بكثير إذا تحرك الأيون بدقة على طول اتجاه معين، على سبيل المثال الاتجاه <110> في السيليكون ومواد الماس المكعبة الأخرى . ^{[ 46 ]} يُطلق على هذا التأثير اسم توجيه الأيونات ، ومثل جميع تأثيرات التوجيه ، فهو غير خطي للغاية، حيث تؤدي الاختلافات الطفيفة عن التوجيه المثالي إلى اختلافات كبيرة في عمق الزرع. لهذا السبب، يتم إجراء معظم عمليات الزرع بانحراف بضع درجات عن المحور، حيث يكون لأخطاء المحاذاة الصغيرة تأثيرات أكثر قابلية للتنبؤ.

يمكن استخدام توجيه الأيونات مباشرة في التشتت العكسي لروثرفورد والتقنيات ذات الصلة كطريقة تحليلية لتحديد كمية وعمق الضرر في المواد البلورية الرقيقة.

في تصنيع الرقائق ، تُستخدم مواد سامة مثل الأرسين والفوسفين غالبًا في عملية زرع الأيونات . ومن العناصر الشائعة الأخرى المسببة للسرطان والتآكل والاشتعال والسموم : الأنتيمون والزرنيخ والفوسفور والبورون . تتميز مرافق تصنيع أشباه الموصلات بأتمتة عالية ، ولكن قد تُصادف بقايا عناصر خطرة في الآلات أثناء الصيانة وفي أجهزة مضخات التفريغ .

قد تشكل مصادر الطاقة عالية الجهد المستخدمة في مسرعات الأيونات، واللازمة لزرع الأيونات، خطر الإصابة بالصعق الكهربائي . إضافةً إلى ذلك، يمكن أن تولد التصادمات الذرية عالية الطاقة أشعة سينية ، وفي بعض الحالات، إشعاعات مؤينة أخرى ونويدات مشعة . وإلى جانب الجهد العالي، تشكل مسرعات الجسيمات ، مثل مسرعات الجسيمات الخطية بترددات الراديو ومسرعات بلازما الليزر، مخاطر أخرى.