Иондук имплантация: түшүнүгү, иштөө принциби, ыкмалары, максаты жана колдонулушу

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 10:34

Иондук имплантация – бул бир элементтин компоненттери пластинканын катуу бетине тездетүү, ошону менен анын физикалык, химиялык же электрдик касиеттерин өзгөртүүчү төмөнкү температурадагы процесс. Бул ыкма жарым өткөргүчтүү приборлорду өндүрүүдө жана металлды тазалоодо, ошондой эле материал таануу изилдөөлөрүндө колдонулат. Компоненттер токтоп калып, пластинанын элементардык курамын өзгөртө алат. Иондук имплантация атомдор жогорку энергиядагы бута менен кагылышканда химиялык жана физикалык өзгөрүүлөрдү да пайда кылат. Пластинанын кристаллдык структурасы кагылышуулардын энергетикалык каскаддарынан бузулушу же ал тургай бузулушу мүмкүн жана жетишээрлик жогорку энергиядагы (10 МэВ) бөлүкчөлөр ядролук трансмутацияга алып келиши мүмкүн.

Ион имплантациясынын жалпы принциби

Жабдуулар, адатта, керектүү элементтин атомдору пайда болгон булактан, алар электростатикалык жогорку ылдамдатылган ылдамдаткычтан турат.энергия жана максаттуу камералар, алар бута менен кагылышат, бул материал. Ошентип, бул процесс бөлүкчөлөрдүн нурлануусунун өзгөчө учуру. Ар бир ион, адатта, бир атом же молекула, демек, максатка имплантацияланган материалдын иш жүзүндөгү көлөмү ион токтун убакыт интегралы болуп саналат. Бул сан доза деп аталат. Имплантаттар менен камсыздалган токтар, адатта, кичинекей (микроампер) жана ошондуктан акылга сыярлык убакыт ичинде имплантациялоого мүмкүн болгон сумма аз. Ошондуктан, иондук имплантация талап кылынган химиялык өзгөрүүлөрдүн саны аз болгон учурларда колдонулат.

Типтүү иондук энергиялар 10дон 500 кВга чейин (1600дөн 80000 аДж) чейин өзгөрөт. Иондук имплантация 1ден 10кеВ чейин (160дан 1600 аДж) чейинки аз энергияларда колдонулушу мүмкүн, бирок өтүү бир нече нанометрге же андан азыраак. Мындан төмөн кубаттуулук бутага өтө аз зыян алып келет жана ион нурларынын жайгашуусу деген белгиге түшөт. Жана жогорку энергияларды да колдонсо болот: 5 МэВ (800 000 аДж) кубаттуулуктагы тездеткичтер кеңири таралган. Бирок, көбүнчө бутага көп структуралык зыян келтирилет жана тереңдиктин таралышы кенен болгондуктан (Брегг чокусу), бутанын каалаган чекитинде курамынын таза өзгөрүүсү аз болот.

Иондордун энергиясы, ошондой эле атомдордун ар кандай түрлөрү жана максаттын курамы бөлүкчөлөрдүн катуу затка кирүү тереңдигин аныктайт. Моноэнергетикалык ион нуру, адатта, кеңири таралган тереңдикке ээ. Орточо өтүү диапазону деп аталат. ATтиптүү шарттарда 10 нанометр менен 1 микрометрге чейин болот. Ошентип, аз энергия ион имплантация химиялык же структуралык өзгөртүү максаттуу бетине жакын болушу каалаган учурларда өзгөчө пайдалуу. Бөлүкчөлөр катуу заттан өтүп бара жатып, энергияны акырындык менен жоготот, бул максаттуу атомдор менен кокустук кагылышуудан да (бул энергиянын кескин алмашуусун пайда кылат) да, электрон орбиталдарынын бири-бирине дал келишинен бир аз басаңдоодон да, үзгүлтүксүз процесс. Бутадагы иондордун энергия жоготуусу токтоп калуу деп аталат жана бинардык кагылышуунун иондук имплантациялоо ыкмасын колдонуу менен моделдештирүүгө болот.

Үздөөчү системалар жалпысынан орточо ток, жогорку ток, жогорку энергия жана өтө маанилүү доза болуп бөлүнөт.

Иондук имплантация нурунун конструкцияларынын бардык түрлөрү функционалдык компоненттердин белгилүү бир жалпы топторун камтыйт. Мисалдарды карап көрөлү. Иондорду имплантациялоонун биринчи физикалык жана физикалык-химиялык негиздери бөлүкчөлөрдү пайда кылуучу булак катары белгилүү болгон түзүлүштү камтыйт. Бул түзүлүш атомдорду нур линиясына чыгаруу үчүн бир тараптуу электроддор менен жана көбүнчө тездеткичтин негизги бөлүгүнө ташуу үчүн конкреттүү режимдерди тандоонун кээ бир каражаттары менен тыгыз байланышкан. "Массаны" тандоо көбүнчө алынган иондук нурдун магнит талаасынын аймагы аркылуу блокировкалоочу тешиктер же массанын жана ылдамдыктын продуктунун белгилүү бир мааниси бар иондорго гана мүмкүндүк берүүчү "трейктер" менен чектелген чыгуу жолу менен өтүшү менен коштолот.. Эгерде максаттуу бет ион нурунун диаметринен чоң болсо жанаэгерде имплантацияланган доза анын үстүнө бир калыпта бөлүштүрүлсө, анда нурду сканерлөө жана пластинка кыймылынын кээ бир айкалышы колдонулат. Акыр-аягы, максат имплантацияланган иондордун топтолгон зарядын чогултуунун кандайдыр бир жолу менен туташтырылып, жеткирилген дозаны үзгүлтүксүз өлчөө жана процесс каалаган деңгээлде токтошу үчүн.

Жарым өткөргүч өндүрүшүндө колдонуу

Бор, фосфор же мышьяк менен допинг - бул процесстин кеңири таралган колдонулушу. Жарым өткөргүчтөрдү иондук имплантациялоодо ар бир кошумча атом күйгүзгөндөн кийин заряд алып жүрүүчүнү түзө алат. Сиз p-түрү коштоочу жана n-түрү электрон үчүн тешик кура аласыз. Бул анын жанында жарым өткөргүчтүн өткөргүчтүгүн өзгөртөт. Техника, мисалы, MOSFETтин босогосун тууралоо үчүн колдонулат.

Иондук имплантация 1970-жылдардын аягында жана 1980-жылдардын башында фотоэлектрдик түзүлүштөрдө pn түйүнүн алуу ыкмасы катары иштелип чыккан, бирок ал бүгүнкү күнгө чейин коммерциялык эмес болсо да, тез күйгүзүү үчүн импульстук электрон нурун колдонуу менен бирге.

Изолятордогу кремний

Бул материалды кадимки кремний субстраттарынан изолятор (SOI) субстраттарында өндүрүүнүн белгилүү ыкмаларынын бири SIMOX (кычкылтек имплантациялоо жолу менен бөлүү) процесси болуп саналат, мында жогорку дозадагы аба кремний кычкылына айландырылат. жогорку температурадагы күйдүрүү процесси.

Мезотаксия

Бул кристаллографиялык өсүү термининегизги кристалл бетинин астындагы дал келген фаза. Бул процессте иондор экинчи фазалык катмарды түзүү үчүн материалга жетишерлик жогорку энергия жана дозада имплантацияланат жана максаттуу түзүлүш бузулбашы үчүн температура көзөмөлдөнөт. катмардын кристалл багыты, так тор константасы өтө ар түрдүү болушу мүмкүн болсо да, максатка ылайык иштелип чыгышы мүмкүн. Мисалы, кремний пластинкасына никель иондорун имплантациялагандан кийин, кристаллдын багыты кремнийдикине дал келген силицид катмарын өстүрсө болот.

Metal Finish колдонмо

Азот же башка иондорду аспап болоттон жасалган бутага (мисалы, бургу) имплантациялоого болот. Структуралык өзгөрүү материалдын бетинин кысуусун шарттайт, ал жаракалардын жайылышына жол бербейт жана ошону менен аны сынууга туруктуураак кылат.

Беттин жасалгасы

Кээ бир колдонмолордо, мисалы, жасалма муундар сыяктуу протездер үчүн, химиялык коррозияга да, сүрүлүүдөн улам эскирүүгө да өтө туруктуу бута болушу керек. Иондук имплантация ишенимдүү иштеши үчүн мындай түзүлүштөрдүн беттерин долбоорлоо үчүн колдонулат. Инструменталдык болоттордогудай эле, ион имплантациясынан улам пайда болгон максаттуу модификация жаракалардын жайылышын болтурбоо үчүн беттин кысуусун жана коррозияга химиялык жактан туруктуураак кылуу үчүн легирменди камтыйт.

Башкаколдонмолор

Имплантацияны иондук нурлардын аралашуусуна, башкача айтканда, интерфейсте ар кандай элементтердин атомдорунун аралашуусуна жетишүү үчүн колдонсо болот. Бул майдаланган беттерге же аралашпаган материалдардын катмарларынын ортосундагы адгезияны жогорулатуу үчүн пайдалуу болушу мүмкүн.

Нанобөлүкчөлөрдүн пайда болушу

Ион имплантациясын сапфир жана кремний диоксиди сыяктуу оксиддердеги наноөлчөмдүү материалдарды индукциялоо үчүн колдонсо болот. Атомдор ион-имплантацияланган элементти да, субстратты да камтыган аралаш заттардын пайда болушунун натыйжасында пайда болушу мүмкүн.

Нанобөлүкчөлөрдү алуу үчүн колдонулган типтүү ион нурларынын энергиялары 50дөн 150 кВга чейинки диапазондо, ал эми иондун френциясы 10-16дан 10-18 кВга чейин. караңыз Кеңири түрдүү материалдар 1 нмден 20 нмге чейинки өлчөмдөрдө жана имплантацияланган бөлүкчөлөрдү камтыган композициялар менен, субстрат менен байланышкан катиондон гана турган комбинациялар менен түзүлүшү мүмкүн.

Металл иондорун имплантациялоонун дисперстүү нанобөлүкчөлөрүн камтыган сапфир сыяктуу диэлектриктердин негизиндеги материалдар оптоэлектроника жана сызыктуу эмес оптика үчүн келечектүү материалдар болуп саналат.

Көйгөйлөр

Ар бир жеке ион сокку же интерстициалда максаттуу кристаллда көптөгөн чекит кемчиликтерин жаратат. Вакансиялар - бул атом ээлебеген торчо чекиттер: бул учурда ион максаттуу атом менен кагылышып, ага энергиянын олуттуу көлөмүн өткөрүп берет, ошондуктан ал өзүнүнсюжет. Бул максаттуу объект өзү катуу денеде снарядга айланат жана удаа-удаа кагылышууларды жаратышы мүмкүн. Мындай бөлүкчөлөр катуу затта токтоп, бирок тордо жашоо үчүн бош орун таппай калганда аралар пайда болот. Иондорду имплантациялоо учурундагы бул чекит кемчиликтери бири-бирине көчүп, топтолуп, дислокация илмектеринин пайда болушуна жана башка көйгөйлөргө алып келиши мүмкүн.

Аморфизация

Кристаллографиялык зыяндын көлөмү бутага алынган бетти толугу менен өткөрүү үчүн жетиштүү болушу мүмкүн, башкача айтканда, ал аморфтук катуу затка айланышы керек. Кээ бир учурларда бутанын толук аморфизациясы дефектинин жогорку даражасы бар кристаллдан артык болот: мындай пленка катуу бузулган кристалды күйдүрүү үчүн талап кылынгандан төмөн температурада кайра өсө алат. Субстраттын аморфизациясы нурдун өзгөрүшүнүн натыйжасында пайда болушу мүмкүн. Мисалы, сапфирге иттрий иондорун имплантациялоодо 150 кеВ нурдун энергиясы 510-16 У+/кв. см, сырткы бетинен ченегенде калыңдыгы болжол менен 110 нм болгон айнек сымал катмар пайда болот.

Спрей

Кээ бир кагылышуу окуялары атомдордун бетинен чыгып кетишине алып келет, ошентип ион имплантациясы бетти акырындап жок кылат. Эффект өтө чоң дозаларда гана байкалат.

Ion channel

Эгер кристаллографиялык түзүлүш бутага колдонулса, айрыкча жарым өткөргүч субстраттарда ал көбүрөөкачык болсо, анда конкреттүү багыттар башкаларга караганда азыраак токтойт. Натыйжада, иондун диапазону, мисалы, кремнийде жана башка алмаздын куб материалдарында, белгилүү бир жол менен так кыймылдаса, алда канча чоң болушу мүмкүн. Бул эффект иондук канализация деп аталат жана бардык окшош эффекттер сыяктуу эле өтө сызыктуу эмес, идеалдуу ориентациядан кичине четтөөлөр менен имплантациянын тереңдигинде олуттуу айырмачылыктарга алып келет. Ушул себептен улам, көпчүлүк огунан бир нече градус четте иштейт, мында майда тегиздөө каталары алдын ала айтылган эффекттерге ээ болот.