Иондық имплантация: түсінігі, жұмыс істеу принципі, әдістері, мақсаты және қолданылуы

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Ионды имплантациялау – бір элементтің құрамдас бөліктері пластинаның қатты бетіне жылдамдатылатын, осылайша оның физикалық, химиялық немесе электрлік қасиеттерін өзгертетін төмен температуралы процесс. Бұл әдіс жартылай өткізгіш құрылғылар өндірісінде және металды өңдеуде, сонымен қатар материалтану зерттеулерінде қолданылады. Компоненттер пластинаның элементтік құрамын өзгерте алады, егер олар тоқтап, онда қалады. Иондық имплантация атомдар жоғары энергиядағы нысанамен соқтығысқанда химиялық және физикалық өзгерістерді де тудырады. Пластинаның кристалдық құрылымы соқтығыстардың энергетикалық каскадтары арқылы зақымдалуы немесе тіпті жойылуы мүмкін және жеткілікті жоғары энергияның (10 МэВ) бөлшектері ядролық трансмутацияны тудыруы мүмкін.

Иондық имплантацияның жалпы принципі

Жабдық әдетте қажетті элемент атомдары түзілетін көзден, олар электростатикалық жоғары жылдамдыққа дейін үдетілетін үдеткіштен тұрады.энергия және нысана камералары, олар материал болып табылатын нысанаға соқтығысады. Осылайша, бұл процесс бөлшектердің сәулеленуінің ерекше жағдайы болып табылады. Әрбір ион әдетте бір атом немесе молекула болып табылады, сондықтан нысанаға имплантацияланған материалдың нақты мөлшері иондық токтың уақыттық интегралы болып табылады. Бұл сан доза деп аталады. Имплантанттармен қамтамасыз етілген токтар әдетте шағын (микроампер) болады, сондықтан ақылға қонымды уақыт ішінде имплантациялауға болатын сома аз. Сондықтан иондық имплантация қажет химиялық өзгерістер саны аз болған жағдайда қолданылады.

Типтік иондық энергиялар 10-нан 500 кВ-қа дейін (1600-ден 80000 аДж) ауытқиды. Иондық имплантацияны 1-ден 10 кВ (160-дан 1600 аДж) дейінгі диапазондағы төмен энергияларда қолдануға болады, бірақ ену бірнеше нанометр немесе одан да аз. Бұдан төмен қуат нысанаға өте аз зақым келтіреді және ион сәулесінің тұндыру белгісіне жатады. Ал жоғары энергияларды да қолдануға болады: 5 МэВ (800 000 аДж) қабілетті үдеткіштер кең таралған. Дегенмен, көбінесе нысанаға көп құрылымдық зақым келеді және тереңдіктің таралуы кең болғандықтан (Брегг шыңы), нысананың кез келген нүктесінде құрамның таза өзгерісі аз болады.

Иондардың энергиясы, сондай-ақ атомдардың әртүрлі типтері және нысананың құрамы бөлшектердің қатты денеге ену тереңдігін анықтайды. Моноэнергетикалық иондық сәуле әдетте кең таралу тереңдігіне ие. Орташа ену диапазон деп аталады. ATәдеттегі жағдайларда ол 10 нанометр мен 1 микрометр арасында болады. Осылайша, төмен энергиялы иондарды имплантациялау әсіресе химиялық немесе құрылымдық өзгерістер мақсатты бетке жақын болуы қажет болған жағдайда пайдалы. Бөлшектер нысана атомдарымен кездейсоқ соқтығысудан да (энергияның кенет берілуін тудыратын) да, үздіксіз процесс болып табылатын электронды орбитальдардың қабаттасуынан аздап тежелуден де қатты денеден өткенде энергиясын біртіндеп жоғалтады. Нысанадағы иондардың энергияны жоғалтуы тоқтау деп аталады және оны екілік соқтығыстың жуықтауының иондық имплантация әдісі арқылы модельдеуге болады.

Үдеткіш жүйелері әдетте орташа ток, жоғары ток, жоғары энергия және өте маңызды доза болып жіктеледі.

Иондық имплантация сәулелерінің конструкцияларының барлық түрлері функционалдық құрамдастардың белгілі бір жалпы топтарын қамтиды. Мысалдар қарастырыңыз. Иондарды имплантациялаудың алғашқы физикалық және физика-химиялық негіздеріне бөлшектерді генерациялау көзі ретінде белгілі құрылғы кіреді. Бұл құрылғы атомдарды сәуле сызығына шығаруға арналған қиғаш электродтармен және көбінесе үдеткіштің негізгі бөлігіне тасымалдаудың нақты режимдерін таңдаудың кейбір құралдарымен тығыз байланысты. «Массаны» таңдау көбінесе шығарылған иондар сәулесінің масса мен жылдамдық өнімінің белгілі бір мәні бар иондарға ғана мүмкіндік беретін блоктау саңылауларымен немесе «саңылаулармен» шектелген шығу жолы бар магнит өрісі аймағы арқылы өтуімен бірге жүреді.. Егер мақсатты бет иондық сәуленің диаметрінен үлкен болса жәнеегер имплантацияланған доза оған біркелкі бөлінсе, онда сәулені сканерлеу мен пластинаның қозғалысының кейбір комбинациясы қолданылады. Соңында, мақсат имплантацияланған иондардың жинақталған зарядын жинаудың қандай да бір тәсіліне қосылған, осылайша жеткізілетін доза үздіксіз өлшеніп, процесс қажетті деңгейде тоқтатылады.

Жартылай өткізгіштер өндірісіндегі қолдану

Бор, фосфор немесе мышьяк қосылған допинг - бұл процестің кең таралған түрі. Жартылай өткізгіштердің иондық имплантациясында әрбір қоспа атомы күйдіруден кейін заряд тасымалдаушыны құра алады. Сіз p-типті қоспа және n-типті электрон үшін тесік жасай аласыз. Бұл оның маңындағы жартылай өткізгіштің өткізгіштігін өзгертеді. Бұл әдіс, мысалы, MOSFET шегін реттеу үшін пайдаланылады.

Иондық имплантация 1970-ші жылдардың соңы мен 1980-жылдардың басында фотоэлектрлік құрылғыларда pn түйіспесін алу әдісі ретінде әзірленді, сонымен бірге ол бүгінгі күнге дейін коммерцияланбаған болса да, жылдам күйдіру үшін импульстік электронды сәулені қолданумен бірге.

Оқшаулағыштағы кремний

Осы материалды кәдімгі кремний субстраттарынан оқшаулағыш (SOI) астарларында өндірудің белгілі әдістерінің бірі SIMOX (оттегі имплантациясы арқылы бөлу) процесі болып табылады, онда жоғары доза ауасы кремний оксидіне айналады. жоғары температурада жасыту процесі.

Мезотаксия

Бұл кристаллографиялық өсу терминінегізгі кристалдың бетінің астындағы сәйкес фаза. Бұл процесте иондар екінші фазалық қабат жасау үшін материалға жеткілікті жоғары энергия мен дозада имплантацияланады және мақсатты құрылым бұзылмауы үшін температура бақыланады. Қабаттың кристалдық бағдары, дәл тор тұрақтысы өте әртүрлі болуы мүмкін болса да, мақсатқа сәйкес жобалануы мүмкін. Мысалы, кремний пластинасына никель иондарын имплантациялаудан кейін кристалдық бағыты кремнийдікіне сәйкес келетін силицид қабатын өсіруге болады.

Металл әрлеу қолданбасы

Азот немесе басқа иондар болат нысанаға (мысалы, бұрғы) имплантациялануы мүмкін. Құрылымдық өзгеріс материалдың бетінің қысылуын тудырады, бұл жарықшақтардың таралуын болдырмайды және осылайша оны сынуға төзімді етеді.

Беттік өңдеу

Кейбір қолданбаларда, мысалы, жасанды буындар сияқты протездер үшін, химиялық коррозияға да, үйкеліске байланысты тозуға да жоғары төзімді нысананың болғаны жөн. Иондық имплантация сенімдірек жұмыс істеу үшін мұндай құрылғылардың беттерін жобалау үшін қолданылады. Аспаптық болаттар сияқты, иондарды имплантациялау нәтижесінде пайда болатын мақсатты түрлендіруге жарықшақтардың таралуын болдырмау үшін бетті қысу және коррозияға химиялық төзімді ету үшін легірлеу кіреді.

Басқақолданбалар

Имплантацияны иондық сәулелердің араласуына, яғни интерфейсте әртүрлі элементтер атомдарының араласуына қол жеткізу үшін пайдалануға болады. Бұл тегіс беттерге қол жеткізу немесе араласпайтын материалдар қабаттары арасындағы адгезияны жақсарту үшін пайдалы болуы мүмкін.

Нанобөлшектердің түзілуі

Иондық имплантацияны сапфир және кремний диоксиді сияқты оксидтердегі наноөлшемді материалдарды индукциялау үшін пайдалануға болады. Атомдар жауын-шашын немесе ионды имплантацияланған элемент пен субстратты қамтитын аралас заттардың түзілуі нәтижесінде түзілуі мүмкін.

Нанобөлшектерді алу үшін қолданылатын типтік иондар сәулесінің энергиялары 50-ден 150 кВ-қа дейінгі диапазонда, ал иондардың флюенциясы 10-16-дан 10-18 кВ-қа дейін. Өлшемдері 1 нм-ден 20 нм-ге дейінгі және имплантацияланған бөлшектерді қамтитын композициялармен, тек субстратпен байланысқан катионнан тұратын комбинациялардан тұратын материалдардың алуан түрін қараңыз.

Металл ионының имплантациясының дисперсті нанобөлшектері бар сапфир сияқты диэлектрлік негізіндегі материалдар оптоэлектроника мен сызықты емес оптика үшін перспективалы материалдар болып табылады.

Мәселелер

Әрбір жеке ион әсер ету немесе интерстициалда мақсатты кристалда көптеген нүкте ақауларын тудырады. Вакансиялар - бұл атом иеленбейтін тор нүктелері: бұл жағдайда ион мақсатты атоммен соқтығысады, бұл оған энергияның айтарлықтай көлемінің берілуіне әкеледі, осылайша ол өзінің орнын қалдырады.сюжет. Бұл нысананың өзі қатты денеде снарядқа айналады және кезекті соқтығыстарды тудыруы мүмкін. Мұндай бөлшектер қатты денеде тоқтап, бірақ торда өмір сүру үшін бос орын таппаған кезде аралықтар пайда болады. Иондарды имплантациялау кезіндегі бұл нүкте ақаулары бір-бірімен ауысуы және топтасуы мүмкін, бұл дислокациялық ілмектердің пайда болуына және басқа мәселелерге әкеледі.

Аморфизация

Кристаллографиялық зақымдану мөлшері мақсатты бетті толығымен ауыстыру үшін жеткілікті болуы мүмкін, яғни ол аморфты қатты затқа айналуы керек. Кейбір жағдайларда нысананың толық аморфизациясы ақаудың жоғары дәрежесі бар кристалдан жақсырақ болады: мұндай қабық қатты зақымдалған кристалды жасыту үшін қажет болғаннан төмен температурада қайта өсуі мүмкін. Субстраттың аморфизациясы сәуленің өзгеруі нәтижесінде болуы мүмкін. Мысалы, иттрий иондарын сапфирге имплантациялау кезінде 150 кВ сәулелік энергияда 510-16 У+/кв. см, қалыңдығы шамамен 110 нм шыны тәрізді қабат түзіледі, сыртқы бетінен өлшенеді.

Спрей

Соқтығысудың кейбір оқиғалары атомдардың бетінен лақтырылуына әкеліп соғады, осылайша ион имплантациясы бетті баяу алып тастайды. Әсері өте үлкен дозаларда ғана байқалады.

Ион арна

Егер нысанаға кристаллографиялық құрылым қолданылса, әсіресе ол көп болатын жартылай өткізгіш субстраттардаашық болса, нақты бағыттар басқаларға қарағанда әлдеқайда аз тоқтайды. Нәтиже мынада: ионның диапазоны, егер ол кремнийде және басқа алмаз текше материалдарда сияқты, белгілі бір жолмен дәл қозғалса, әлдеқайда үлкен болуы мүмкін. Бұл әсер иондық арна деп аталады және барлық ұқсас әсерлер сияқты өте сызықты емес, идеалды бағдардан аздаған ауытқулар имплантация тереңдігінде айтарлықтай айырмашылықтарға әкеледі. Осы себепті, көпшілігі осьтен бірнеше градусқа ауытқиды, бұл жерде шағын туралау қателерінің болжамды әсерлері болады.