thumb|250px|Um sistema de implantação iônica nas instalações tecnológicas do LAAS em Toulouse, França. 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 thumb|Configuração de implantação iônica com separador de massa 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.Current, Michael & Rubin, Leonard & Sinclair, Frank. (2018). Commercial Ion Implantation Systems. 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