იონის იმპლანტაცია: კონცეფცია, მოქმედების პრინციპი, მეთოდები, მიზანი და გამოყენება

2024 ავტორი: Howard Calhoun | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-17 10:32

იონის იმპლანტაცია არის დაბალი ტემპერატურის პროცესი, რომლის დროსაც ერთი ელემენტის კომპონენტები აჩქარდება ვაფლის მყარ ზედაპირზე, რითაც იცვლება მისი ფიზიკური, ქიმიური ან ელექტრული თვისებები. ეს მეთოდი გამოიყენება ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებაში და ლითონის მოპირკეთებაში, ასევე მასალების მეცნიერების კვლევაში. კომპონენტებს შეუძლიათ შეცვალონ ფირფიტის ელემენტარული შემადგენლობა, თუ ისინი გაჩერდებიან და დარჩებიან მასში. იონის იმპლანტაცია ასევე იწვევს ქიმიურ და ფიზიკურ ცვლილებებს, როდესაც ატომები ეჯახება სამიზნეს მაღალი ენერგიით. ფირფიტის კრისტალური სტრუქტურა შეიძლება დაზიანდეს ან თუნდაც განადგურდეს შეჯახების ენერგეტიკული კასკადებით, ხოლო საკმარისად მაღალი ენერგიის ნაწილაკებმა (10 მევ) შეიძლება გამოიწვიოს ბირთვული ტრანსმუტაცია.

იონის იმპლანტაციის ზოგადი პრინციპი

მოწყობილობა ჩვეულებრივ შედგება წყაროსგან, სადაც წარმოიქმნება სასურველი ელემენტის ატომები, ამაჩქარებლისგან, სადაც ისინი ელექტროსტატიკურად აჩქარდებიან მაღალ ნიშნულამდე.ენერგია და სამიზნე კამერები, სადაც ისინი ეჯახებიან მიზანს, რომელიც არის მასალა. ამრიგად, ეს პროცესი ნაწილაკების გამოსხივების განსაკუთრებული შემთხვევაა. თითოეული იონი, როგორც წესი, არის ერთი ატომი ან მოლეკულა და, ამრიგად, სამიზნეში ჩადებული მასალის რეალური რაოდენობა არის იონის დენის დროის ინტეგრალი. ამ რიცხვს დოზა ეწოდება. იმპლანტანტებით მოწოდებული დენები, როგორც წესი, მცირეა (მიკროამპერები) და, შესაბამისად, ოდენობა, რომლის იმპლანტაცია შესაძლებელია გონივრულ დროში, მცირეა. ამიტომ, იონის იმპლანტაცია გამოიყენება იმ შემთხვევებში, როდესაც საჭირო ქიმიური ცვლილებების რაოდენობა მცირეა.

ტიპიური იონური ენერგია მერყეობს 10-დან 500 კევ-მდე (1600-დან 80000 აჯ-მდე). იონის იმპლანტაცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაბალ ენერგიებში 1-დან 10 კევ-მდე (160-დან 1600 აჯ-მდე) დიაპაზონში, მაგრამ შეღწევა მხოლოდ რამდენიმე ნანომეტრია ან ნაკლები. ამაზე დაბალი სიმძლავრე იწვევს სამიზნის ძალიან მცირე დაზიანებას და ექვემდებარება იონური სხივის დეპონირების აღნიშვნას. ასევე შესაძლებელია უფრო მაღალი ენერგიების გამოყენება: გავრცელებულია ამაჩქარებლები, რომლებსაც შეუძლიათ 5 მევ (800,000 აჯ). თუმცა, ხშირად სამიზნეზე ბევრი სტრუქტურული დაზიანებაა და იმის გამო, რომ სიღრმის განაწილება ფართოა (ბრეგის პიკი), შემადგენლობის წმინდა ცვლილება სამიზნის ნებისმიერ წერტილში მცირე იქნება.

იონების ენერგია, ისევე როგორც სხვადასხვა ტიპის ატომები და სამიზნის შემადგენლობა, განსაზღვრავს ნაწილაკების შეღწევის სიღრმეს მყარ სხეულში. მონოენერგიულ იონურ სხივს ჩვეულებრივ აქვს ფართო სიღრმის განაწილება. საშუალო შეღწევადობას დიაპაზონი ეწოდება. ATტიპიურ პირობებში ის იქნება 10 ნანომეტრსა და 1 მიკრომეტრს შორის. ამრიგად, დაბალი ენერგიის იონის იმპლანტაცია განსაკუთრებით სასარგებლოა იმ შემთხვევებში, როდესაც სასურველია, რომ ქიმიური ან სტრუქტურული ცვლილება იყოს სამიზნე ზედაპირთან ახლოს. ნაწილაკები თანდათან კარგავენ ენერგიას მყარ სხეულში გავლისას, როგორც სამიზნე ატომებთან შემთხვევითი შეჯახების შედეგად (რაც იწვევს ენერგიის მკვეთრ გადაცემას), ასევე ელექტრონის ორბიტალების გადახურვის უმნიშვნელო შენელებით, რაც უწყვეტი პროცესია. იონების ენერგიის დაკარგვას სამიზნეში ეწოდება შეჩერება და მისი მოდელირება შესაძლებელია ორობითი შეჯახების იონების იმპლანტაციის მეთოდის გამოყენებით.

ამაჩქარებლის სისტემები ზოგადად კლასიფიცირდება საშუალო დენის, მაღალი დენის, მაღალი ენერგიის და ძალიან მნიშვნელოვანი დოზების მიხედვით.

იონური იმპლანტაციის სხივების დიზაინის ყველა სახეობა შეიცავს ფუნქციური კომპონენტების გარკვეულ საერთო ჯგუფებს. განვიხილოთ მაგალითები. იონის იმპლანტაციის პირველი ფიზიკური და ფიზიკურ-ქიმიური საფუძვლები მოიცავს მოწყობილობას, რომელიც ცნობილია როგორც ნაწილაკების წარმოქმნის წყარო. ეს მოწყობილობა მჭიდრო კავშირშია მიკერძოებულ ელექტროდებთან ატომების ამოსაღებად სხივის ხაზში და ყველაზე ხშირად ამაჩქარებლის მთავარ მონაკვეთში ტრანსპორტირების სპეციფიკური რეჟიმის არჩევის საშუალებებთან. "მასის" არჩევას ხშირად თან ახლავს მოპოვებული იონური სხივის გავლა მაგნიტური ველის რეგიონში გასასვლელი ბილიკით, რომელიც შემოიფარგლება ხვრელების დაბლოკვით ან "სლოტებით", რომლებიც საშუალებას აძლევს მხოლოდ იონებს მასისა და სიჩქარის პროდუქტის გარკვეული მნიშვნელობით.. თუ სამიზნე ზედაპირი იონური სხივის დიამეტრზე დიდია დათუ იმპლანტირებული დოზა უფრო თანაბრად ნაწილდება მასზე, მაშინ გამოიყენება სხივის სკანირებისა და ფირფიტის მოძრაობის გარკვეული კომბინაცია. დაბოლოს, სამიზნე უკავშირდება იმპლანტირებული იონების დაგროვილი მუხტის შეგროვების რაიმე გზას, რათა მიწოდებული დოზა შეიძლება მუდმივად გაიზომოს და პროცესი შეჩერდეს სასურველ დონეზე.

გამოყენება ნახევარგამტარების წარმოებაში

ბორის, ფოსფორის ან დარიშხანის დოპინგი ამ პროცესის გავრცელებული გამოყენებაა. ნახევარგამტარების იონის იმპლანტაციისას, თითოეულ დოპანტურ ატომს შეუძლია შექმნას მუხტის მატარებელი ანეილირების შემდეგ. თქვენ შეგიძლიათ ააგოთ ხვრელი p-ტიპის დოპანტისთვის და n-ტიპის ელექტრონისთვის. ეს ცვლის ნახევარგამტარის გამტარობას მის სიახლოვეს. ტექნიკა გამოიყენება, მაგალითად, MOSFET-ის ზღურბლის დასარეგულირებლად.

იონის იმპლანტაცია შემუშავდა, როგორც ფოტოვოლტაურ მოწყობილობებში pn შეერთების მიღების მეთოდი 1970-იანი წლების ბოლოს და 1980-იანი წლების დასაწყისში, იმპულსური ელექტრონული სხივის გამოყენებასთან ერთად სწრაფი ანეილირებისთვის, თუმცა ის დღემდე კომერციალიზაცია არ მომხდარა.

სილიკონი იზოლატორზე

ამ მასალის წარმოების ერთ-ერთი ცნობილი მეთოდი იზოლატორზე (SOI) სუბსტრატებზე ჩვეულებრივი სილიკონის სუბსტრატებიდან არის SIMOX (ჟანგბადის იმპლანტაციის გზით გამოყოფა) პროცესი, რომლის დროსაც მაღალი დოზით ჰაერი გარდაიქმნება სილიციუმის ოქსიდში. მაღალტემპერატურული ანეილირების პროცესი.

მეზოტაქსია

ეს არის ტერმინი ზრდის კრისტალოგრაფიულადემთხვევა ფაზა მთავარი ბროლის ზედაპირის ქვეშ. ამ პროცესში იონები იმპლანტირებულია საკმარისად მაღალი ენერგიით და დოზით მასალაში მეორე ფაზის შრის შესაქმნელად და ტემპერატურა კონტროლდება ისე, რომ სამიზნე სტრუქტურა არ განადგურდეს. ფენის კრისტალური ორიენტაცია შეიძლება დაპროექტდეს მიზნის შესაბამისად, მაშინაც კი, თუ გისოსის ზუსტი მუდმივი შეიძლება იყოს ძალიან განსხვავებული. მაგალითად, ნიკელის იონების სილიკონის ვაფლში ჩანერგვის შემდეგ, შეიძლება გაიზარდოს სილიციდის ფენა, რომელშიც ბროლის ორიენტაცია ემთხვევა სილიკონის მიმართულებას.

მეტალის მოსაპირკეთებელი აპლიკაცია

აზოტი ან სხვა იონები შეიძლება ჩაინერგოს ხელსაწყოს ფოლადის სამიზნეში (როგორიცაა საბურღი). სტრუქტურული ცვლილება იწვევს მასალის ზედაპირის შეკუმშვას, რაც ხელს უშლის ბზარის გავრცელებას და ამით მას უფრო გამძლეს ხდის მოტეხილობის მიმართ.

ზედაპირის დასრულება

ზოგიერთ გამოყენებაში, მაგალითად პროთეზებისთვის, როგორიცაა ხელოვნური სახსრები, სასურველია გქონდეთ სამიზნე, რომელიც ძალიან მდგრადია როგორც ქიმიური კოროზიის, ასევე ხახუნის გამო ცვეთა მიმართ. იონის იმპლანტაცია გამოიყენება ასეთი მოწყობილობების ზედაპირების დიზაინისთვის უფრო საიმედო მუშაობისთვის. როგორც ხელსაწყოების ფოლადების შემთხვევაში, იონის იმპლანტაციის შედეგად გამოწვეული სამიზნე მოდიფიკაცია მოიცავს როგორც ზედაპირის შეკუმშვას ბზარის გამრავლების თავიდან ასაცილებლად, ასევე შენადნობას, რათა ის უფრო ქიმიურად მდგრადი გახდეს კოროზიის მიმართ.

სხვააპლიკაციები

იმპლანტაცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას იონური სხივების შერევის მისაღწევად, ანუ ინტერფეისზე სხვადასხვა ელემენტების ატომების შერევით. ეს შეიძლება იყოს გამოსადეგი გრადირებული ზედაპირების მისაღწევად ან შეურევადი მასალების ფენებს შორის ადჰეზიის გასაძლიერებლად.

ნანონაწილაკების წარმოქმნა

იონის იმპლანტაცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნანომასშტაბიანი მასალების ოქსიდებში, როგორიცაა საფირონი და სილიციუმის დიოქსიდი. ატომები შეიძლება წარმოიქმნას ნალექის ან შერეული ნივთიერებების წარმოქმნის შედეგად, რომლებიც შეიცავს როგორც იონში ჩადებულ ელემენტს, ასევე სუბსტრატს.

ტიპიური იონური სხივის ენერგია, რომელიც გამოიყენება ნანონაწილაკების მოსაპოვებლად, არის 50-დან 150 კევ-მდე დიაპაზონში, ხოლო იონური დინება არის 10-16-დან 10-18 კვ-მდე. იხილეთ მასალების ფართო არჩევანი შეიძლება ჩამოყალიბდეს ზომით 1 ნმ-დან 20 ნმ-მდე და კომპოზიციებით, რომლებიც შეიძლება შეიცავდეს იმპლანტირებული ნაწილაკებს, კომბინაციები, რომლებიც შედგება მხოლოდ სუბსტრატთან დაკავშირებული კატიონისგან.

დიელექტრიკულზე დაფუძნებული მასალები, როგორიცაა საფირონი, რომელიც შეიცავს ლითონის იონის იმპლანტაციის დისპერსიულ ნანონაწილაკებს, პერსპექტიული მასალებია ოპტოელექტრონიკასა და არაწრფივი ოპტიკისთვის.

პრობლემები

თითოეული ცალკეული იონი წარმოქმნის ბევრ წერტილოვან დეფექტს სამიზნე კრისტალში დარტყმის ან ინტერსტიციულობისას. ვაკანსიები არის მედის წერტილები, რომლებიც არ არის დაკავებული ატომით: ამ შემთხვევაში, იონი ეჯახება სამიზნე ატომს, რაც იწვევს მასში მნიშვნელოვანი რაოდენობის ენერგიის გადაცემას, რის გამოც ის ტოვებს თავისნაკვეთი. ეს სამიზნე ობიექტი თავად ხდება ჭურვი მყარ სხეულში და შეიძლება გამოიწვიოს თანმიმდევრული შეჯახება. ინტერსტიციები ხდება მაშინ, როდესაც ასეთი ნაწილაკები ჩერდებიან მყარ მდგომარეობაში, მაგრამ ვერ პოულობენ თავისუფალ ადგილს გისოსებში საცხოვრებლად. იონის იმპლანტაციის დროს ამ წერტილოვან დეფექტებს შეუძლიათ მიგრაცია და დაჯგუფება ერთმანეთთან, რაც გამოიწვევს დისლოკაციის მარყუჟების წარმოქმნას და სხვა პრობლემებს.

ამორფიზაცია

კრისტალოგრაფიული დაზიანების რაოდენობა შეიძლება იყოს საკმარისი სამიზნე ზედაპირის სრულად გადასატანად, ანუ ის უნდა გახდეს ამორფული მყარი. ზოგიერთ შემთხვევაში, სამიზნის სრული ამორფიზაცია სასურველია კრისტალის მაღალი ხარისხის დეფექტის მქონე: ასეთი ფილმი შეიძლება ხელახლა გაიზარდოს უფრო დაბალ ტემპერატურაზე, ვიდრე საჭიროა ძლიერ დაზიანებული ბროლის ანეილისთვის. სუბსტრატის ამორფიზაცია შეიძლება მოხდეს სხივის ცვლილების შედეგად. მაგალითად, საფირონში იტრიუმის იონების ჩანერგვისას სხივის ენერგია 150 კევ-მდე 510-16 Y+/კვ. სმ, წარმოიქმნება მინისებრი შრე დაახლოებით 110 ნმ სისქით, რომელიც იზომება გარე ზედაპირიდან.

სპრეი

შეჯახების ზოგიერთი მოვლენა იწვევს ატომების გამოდევნას ზედაპირიდან და, შესაბამისად, იონის იმპლანტაცია ნელ-ნელა აშორებს ზედაპირს. ეფექტი შესამჩნევია მხოლოდ ძალიან დიდი დოზებით.

იონური არხი

თუ კრისტალოგრაფიული სტრუქტურა გამოიყენება სამიზნეზე, განსაკუთრებით ნახევარგამტარულ სუბსტრატებში, სადაც ის მეტიაღიაა, მაშინ კონკრეტული მიმართულებები ჩერდება ბევრად ნაკლები ვიდრე სხვები. შედეგი ის არის, რომ იონის დიაპაზონი შეიძლება იყოს ბევრად უფრო დიდი, თუ ის მოძრაობს ზუსტად გარკვეულ გზაზე, მაგალითად, სილიკონში და სხვა ალმასის კუბურ მასალებში. ამ ეფექტს ეწოდება იონური არხირება და, როგორც ყველა მსგავსი ეფექტი, არის უაღრესად არაწრფივი, იდეალური ორიენტაციისგან მცირე გადახრით, რაც იწვევს იმპლანტაციის სიღრმეში მნიშვნელოვან განსხვავებებს. ამ მიზეზით, უმეტესობა გადის ღერძიდან რამდენიმე გრადუსით, სადაც გასწორების მცირე შეცდომებს უფრო პროგნოზირებადი ეფექტი ექნება.