İon implantasiyası: konsepsiya, iş prinsipi, üsulları, məqsədi və tətbiqi

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-17 10:18

İon implantasiyası bir elementin komponentlərinin vaflinin bərk səthinə sürətləndirilməsi və bununla da onun fiziki, kimyəvi və ya elektrik xüsusiyyətlərini dəyişdirdiyi aşağı temperaturlu prosesdir. Bu üsul yarımkeçirici cihazların istehsalında və metalların işlənməsi, eləcə də materialşünaslıq tədqiqatlarında istifadə olunur. Komponentlər plitənin elementar tərkibini dəyişdirə bilər, əgər onlar dayanıb orada qalırlarsa. Atomlar yüksək enerjili bir hədəflə toqquşduqda ion implantasiyası da kimyəvi və fiziki dəyişikliklərə səbəb olur. Plitənin kristal quruluşu toqquşmaların enerji şəlalələri ilə zədələnə və ya hətta məhv edilə bilər və kifayət qədər yüksək enerjili (10 MeV) hissəciklər nüvə transmutasiyasına səbəb ola bilər.

İon implantasiyasının ümumi prinsipi

Avadanlıq adətən istənilən elementin atomlarının əmələ gəldiyi mənbədən, onların elektrostatik olaraq yüksək həddə qədər sürətləndirildiyi sürətləndiricidən ibarətdir.enerji və material olan hədəflə toqquşduqları hədəf kameraları. Beləliklə, bu proses hissəcik radiasiyasının xüsusi bir halıdır. Hər bir ion adətən tək atom və ya molekuldur və beləliklə, hədəfə implantasiya edilən materialın faktiki miqdarı ion cərəyanının zaman inteqralıdır. Bu rəqəmə doza deyilir. İmplantların təmin etdiyi cərəyanlar adətən kiçikdir (mikroamperlər) və buna görə də ağlabatan müddətdə implantasiya oluna biləcək miqdar azdır. Buna görə də, ion implantasiyası tələb olunan kimyəvi dəyişikliklərin sayının az olduğu hallarda istifadə olunur.

Tipik ion enerjiləri 10-500 keV (1600-80000 aJ) arasında dəyişir. İon implantasiyası 1 ilə 10 keV (160 ilə 1600 aJ) diapazonunda aşağı enerjilərdə istifadə oluna bilər, lakin nüfuzetmə yalnız bir neçə nanometr və ya daha azdır. Bunun altındakı güc hədəfə çox az ziyan vurur və ion şüasının çökməsi təyinatına düşür. Və daha yüksək enerjilərdən də istifadə edilə bilər: 5 MeV (800.000 aJ) gücünə malik sürətləndiricilər geniş yayılmışdır. Bununla belə, tez-tez hədəfə çoxlu struktur ziyanı olur və dərinliyin paylanması geniş olduğu üçün (Bragg zirvəsi), hədəfin istənilən nöqtəsində kompozisiyada xalis dəyişiklik kiçik olacaq.

İonların enerjisi, həmçinin müxtəlif növ atomlar və hədəfin tərkibi hissəciklərin bərk cismə nüfuz etmə dərinliyini müəyyən edir. Monoenergetik ion şüası adətən geniş dərinlik payına malikdir. Orta nüfuza diapazon deyilir. ATtipik şəraitdə 10 nanometr və 1 mikrometr arasında olacaq. Beləliklə, aşağı enerjili ion implantasiyası kimyəvi və ya struktur dəyişikliyinin hədəf səthinə yaxın olması arzu edilən hallarda xüsusilə faydalıdır. Zərrəciklər bərk cisimdən keçərkən həm hədəf atomları ilə təsadüfi toqquşma nəticəsində (bu, kəskin enerji köçürmələrinə səbəb olur), həm də davamlı proses olan elektron orbitallarının üst-üstə düşməsi nəticəsində cüzi yavaşlama nəticəsində enerjilərini tədricən itirirlər. Hədəfdə ionların enerji itkisi dayanma adlanır və binar toqquşma təxmininin ion implantasiyası metodu ilə modelləşdirilə bilər.

Sürətləndirici sistemlər ümumiyyətlə orta cərəyan, yüksək cərəyan, yüksək enerji və çox əhəmiyyətli doza kimi təsnif edilir.

İon implantasiya şüa dizaynlarının bütün növləri müəyyən ümumi funksional komponent qruplarını ehtiva edir. Nümunələri nəzərdən keçirin. İon implantasiyasının ilk fiziki və fiziki-kimyəvi əsaslarına hissəciklər yaratmaq üçün mənbə kimi tanınan bir cihaz daxildir. Bu cihaz, atomları şüa xəttinə çıxarmaq üçün qərəzli elektrodlarla və tez-tez sürətləndiricinin əsas hissəsinə daşınması üçün xüsusi rejimləri seçmək üçün bəzi vasitələrlə sıx bağlıdır. "Kütlə"nin seçilməsi çox vaxt çıxarılan ion şüasının maqnit sahəsinin bir hissəsindən yalnız kütlə və sürət məhsulunun müəyyən bir dəyəri olan ionlara icazə verən bloklama deşikləri və ya "yuvalar" ilə məhdudlaşan çıxış yolu ilə keçməsi ilə müşayiət olunur.. Hədəf səthi ion şüasının diametrindən böyükdürsə vəimplantasiya edilmiş doza onun üzərində daha bərabər paylanırsa, o zaman şüa skan edilməsi və lövhə hərəkətinin bəzi kombinasiyası istifadə olunur. Nəhayət, hədəf implantasiya edilmiş ionların yığılmış yükünü toplamaq üçün hansısa üsulla əlaqələndirilir ki, çatdırılan doza davamlı olaraq ölçülə bilsin və proses istənilən səviyyədə dayandırıla bilsin.

Yarımkeçirici istehsalında tətbiq

Bor, fosfor və ya arsenlə dopinq bu prosesin ümumi tətbiqidir. Yarımkeçiricilərin ion implantasiyası zamanı hər bir dopant atom tavlandıqdan sonra yük daşıyıcısı yarada bilər. Siz p-tipli dopant və n-tipli elektron üçün bir çuxur qura bilərsiniz. Bu, onun yaxınlığındakı yarımkeçiricinin keçiriciliyini dəyişir. Texnika, məsələn, MOSFET həddini tənzimləmək üçün istifadə olunur.

İon implantasiyası 1970-ci illərin sonu və 1980-ci illərin əvvəllərində fotovoltaik cihazlarda pn qovşağının əldə edilməsi üsulu kimi, bu günə qədər kommersiyalaşdırılmamış olsa da, sürətli yumşalma üçün impulslu elektron şüasının istifadəsi ilə hazırlanmışdır.

İzolyatorda silikon

Bu materialı adi silikon substratlardan izolyator (SOI) substratlarında istehsal etməyin tanınmış üsullarından biri yüksək dozalı havanın silisium oksidinə çevrildiyi SIMOX (oksigen implantasiyası ilə ayrılması) prosesidir. yüksək temperaturda yumşalma prosesi.

Mezotaksis

Bu, kristalloqrafik artım üçün termindirəsas kristalın səthi altında üst-üstə düşən faza. Bu prosesdə ikinci faza təbəqəsi yaratmaq üçün materiala kifayət qədər yüksək enerji və dozada ionlar implantasiya edilir və hədəf strukturun məhv olmaması üçün temperatura nəzarət edilir. Dəqiq qəfəs sabiti çox fərqli ola bilsə belə, təbəqənin kristal oriyentasiyası məqsədə uyğun tərtib edilə bilər. Məsələn, nikel ionlarını silikon vafliyə implantasiya etdikdən sonra, kristal oriyentasiyasının silisiumla uyğunlaşdığı bir silisid təbəqəsi yetişdirilə bilər.

Metal Finiş Tətbiqi

Azot və ya digər ionlar alət polad hədəfinə (məsələn, qazma kimi) implantasiya edilə bilər. Struktur dəyişikliyi materialda səthin sıxılmasına səbəb olur, bu da çatların yayılmasının qarşısını alır və beləliklə, onu qırılmaya qarşı daha davamlı edir.

Səthi bitirmə

Bəzi tətbiqlərdə, məsələn, süni oynaqlar kimi protezlər üçün, həm kimyəvi korroziyaya, həm də sürtünmə səbəbindən aşınmaya qarşı yüksək dayanıqlı bir hədəfin olması arzu edilir. İon implantasiyası daha etibarlı performans üçün bu cür cihazların səthlərini dizayn etmək üçün istifadə olunur. Alət poladlarında olduğu kimi, ion implantasiyasının səbəb olduğu hədəf modifikasiyası həm çatların yayılmasının qarşısını almaq üçün səthin sıxılmasını, həm də kimyəvi cəhətdən korroziyaya daha davamlı olması üçün ərintiləri əhatə edir.

Digərtətbiqlər

İmplantasiya ion şüalarının qarışmasına, yəni interfeysdə müxtəlif elementlərin atomlarının qarışmasına nail olmaq üçün istifadə edilə bilər. Bu, dərəcələnmiş səthlərə nail olmaq və ya qarışmayan materialların təbəqələri arasında yapışmanı artırmaq üçün faydalı ola bilər.

Nanohissəciklərin əmələ gəlməsi

İon implantasiyası sapfir və silikon dioksid kimi oksidlərdə nanoölçülü materialları induksiya etmək üçün istifadə edilə bilər. Atomlar yağış və ya həm ion implantasiya edilmiş elementi, həm də substratı ehtiva edən qarışıq maddələrin əmələ gəlməsi nəticəsində əmələ gələ bilər.

Nanohissəcikləri əldə etmək üçün istifadə edilən tipik ion şüa enerjiləri 50 ilə 150 keV diapazonunda, ion axını isə 10-16 ilə 10-18 kV arasındadır. bax 1 nm-dən 20 nm-ə qədər ölçülərdə və implantasiya edilmiş hissəcikləri ehtiva edə bilən kompozisiyalarla, yalnız substratla birləşən kationdan ibarət birləşmələrdən ibarət geniş çeşidli materiallar yaradıla bilər.

Metal ion implantasiyasının dispers nanohissəciklərini ehtiva edən sapfir kimi dielektrik əsaslı materiallar optoelektronika və qeyri-xətti optika üçün perspektivli materiallardır.

Problemlər

Hər bir fərdi ion zərbə və ya interstisial zamanı hədəf kristalda çoxlu nöqtə qüsurları yaradır. Boşluqlar bir atom tərəfindən tutulmayan qəfəs nöqtələridir: bu halda ion hədəf atomla toqquşur, bu da ona əhəmiyyətli miqdarda enerjinin ötürülməsinə səbəb olur ki, o, öz yerini tərk edir.süjet. Bu hədəf obyektin özü bərk cisimdə mərmiyə çevrilir və ardıcıl toqquşmalara səbəb ola bilər. Bu cür hissəciklər bərk cisimdə dayandıqda, lakin şəbəkədə yaşamaq üçün boş yer tapmadıqda aralıqlar yaranır. İon implantasiyası zamanı bu nöqtə qüsurları miqrasiya edə və bir-biri ilə qruplaşa bilər ki, bu da dislokasiya dövrələrinin yaranmasına və digər problemlərə səbəb olur.

Amorfizasiya

Kristalloqrafik zədələnmənin miqdarı hədəf səthi tamamilə keçmək üçün kifayət ola bilər, yəni amorf bərk hala çevrilməlidir. Bəzi hallarda, hədəfin tam amorfizasiyası yüksək dərəcədə qüsurlu kristala üstünlük verilir: belə bir film ciddi zədələnmiş kristalın yumşaldılması üçün tələb olunandan daha aşağı temperaturda yenidən böyüyə bilər. Substratın amorfizasiyası şüa dəyişiklikləri nəticəsində baş verə bilər. Məsələn, 150 keV şüa enerjisində 510-16 Y+/kv-ə qədər itrium ionlarını sapfirə implantasiya edərkən. sm, xarici səthdən ölçülən təxminən 110 nm qalınlığında şüşəvari təbəqə əmələ gəlir.

Sprey

Bəzi toqquşma hadisələri atomların səthdən atılmasına səbəb olur və beləliklə, ion implantasiyası səthi yavaş-yavaş aşındırır. Təsir yalnız çox böyük dozalarda nəzərə çarpır.

Ion kanal

Hədəfə kristalloqrafik struktur tətbiq edilərsə, xüsusən daha çox olduğu yarımkeçirici substratlardaaçıqdır, sonra xüsusi istiqamətlər digərlərinə nisbətən daha az dayanır. Nəticə odur ki, ion silisium və digər almaz kubik materiallarda olduğu kimi müəyyən bir yol boyunca hərəkət edərsə, onun diapazonu daha böyük ola bilər. Bu təsir ion kanalizasiyası adlanır və bütün oxşar təsirlər kimi yüksək dərəcədə qeyri-xəttidir, ideal oriyentasiyadan kiçik sapmalar implantasiya dərinliyində əhəmiyyətli fərqlərlə nəticələnir. Bu səbəbdən, əksəriyyəti oxdan bir neçə dərəcə kənarda işləyir, burada kiçik düzülmə xətaları daha proqnozlaşdırıla bilən təsirlərə malikdir.