Իոնների իմպլանտացիա. հայեցակարգ, գործողության սկզբունք, մեթոդներ, նպատակ և կիրառություն

2024 Հեղինակ: Howard Calhoun | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 10:30

Իոնների իմպլանտացիան ցածր ջերմաստիճանի գործընթաց է, որի միջոցով մեկ տարրի բաղադրիչներն արագանում են վաֆլի պինդ մակերեսի մեջ՝ դրանով իսկ փոխելով նրա ֆիզիկական, քիմիական կամ էլեկտրական հատկությունները: Այս մեթոդը օգտագործվում է կիսահաղորդչային սարքերի արտադրության և մետաղների հարդարման, ինչպես նաև նյութագիտության հետազոտության մեջ: Բաղադրիչները կարող են փոխել ափսեի տարրական կազմը, եթե կանգ առնեն և մնան դրա մեջ: Իոնների իմպլանտացիան առաջացնում է նաև քիմիական և ֆիզիկական փոփոխություններ, երբ ատոմները բարձր էներգիայով բախվում են թիրախին: Թիթեղի բյուրեղային կառուցվածքը կարող է վնասվել կամ նույնիսկ ավերվել բախումների էներգետիկ կասկադների պատճառով, իսկ բավականաչափ բարձր էներգիայի մասնիկները (10 ՄէՎ) կարող են առաջացնել միջուկային փոխակերպում։

Իոնների իմպլանտացիայի ընդհանուր սկզբունք

Սարքավորումը սովորաբար բաղկացած է աղբյուրից, որտեղ ձևավորվում են ցանկալի տարրի ատոմները, արագացուցիչից, որտեղ դրանք էլեկտրաստատիկորեն արագացվում են մինչև բարձրէներգիա, և թիրախային խցիկներ, որտեղ նրանք բախվում են թիրախին, որը նյութն է: Այսպիսով, այս գործընթացը մասնիկների ճառագայթման հատուկ դեպք է: Յուրաքանչյուր իոն սովորաբար մեկ ատոմ կամ մոլեկուլ է, և, հետևաբար, թիրախում ներարկված նյութի իրական քանակությունը իոնային հոսանքի ժամանակային ինտեգրալն է: Այս թիվը կոչվում է դոզան: Իմպլանտների կողմից մատակարարվող հոսանքները սովորաբար փոքր են (միկրոամպեր) և, հետևաբար, այն քանակությունը, որը կարող է տեղադրվել ողջամիտ ժամանակում, փոքր է: Հետևաբար, իոնային իմպլանտացիան օգտագործվում է այն դեպքերում, երբ պահանջվող քիմիական փոփոխությունների թիվը փոքր է։

Տիպիկ իոնային էներգիաները տատանվում են 10-ից մինչև 500 կՎ (1600-ից 80000 aJ): Իոնների իմպլանտացիան կարող է օգտագործվել 1-ից 10 կՎ (160-ից 1600 aJ) ցածր էներգիաների դեպքում, սակայն ներթափանցումը ընդամենը մի քանի նանոմետր է կամ ավելի քիչ: Սրանից ցածր հզորությունը հանգեցնում է թիրախին շատ քիչ վնասի և ընկնում է իոնային ճառագայթի նստվածքի նշանակման տակ: Եվ ավելի բարձր էներգիաներ կարող են օգտագործվել նաև. սովորական են 5 ՄէՎ (800,000 aJ) ունակ արագացուցիչներ: Այնուամենայնիվ, հաճախ թիրախին շատ կառուցվածքային վնաս կա, և քանի որ խորության բաշխումը լայն է (Bragg գագաթնակետ), թիրախի ցանկացած կետում կազմի զուտ փոփոխությունը փոքր կլինի:

Իոնների էներգիան, ինչպես նաև ատոմների տարբեր տեսակները և թիրախի բաղադրությունը որոշում են մասնիկների պինդ նյութի ներթափանցման խորությունը։ Մոնոէներգետիկ իոնային ճառագայթը սովորաբար ունի լայն խորության բաշխում: Միջին ներթափանցումը կոչվում է միջակայք: ATբնորոշ պայմաններում այն կլինի 10 նանոմետրից մինչև 1 միկրոմետր: Այսպիսով, ցածր էներգիայի իոնների իմպլանտացիան հատկապես օգտակար է այն դեպքերում, երբ ցանկալի է, որ քիմիական կամ կառուցվածքային փոփոխությունը լինի թիրախային մակերեսի մոտ: Մասնիկներն աստիճանաբար կորցնում են իրենց էներգիան, երբ անցնում են պինդ նյութի միջով, և՛ թիրախային ատոմների հետ պատահական բախումներից (որոնք առաջացնում են էներգիայի կտրուկ փոխանցում), և՛ էլեկտրոնային ուղեծրերի համընկնման աննշան դանդաղումից, որը շարունակական գործընթաց է: Թիրախում իոնների էներգիայի կորուստը կոչվում է հապաղում և կարող է մոդելավորվել երկուական բախման մոտավոր իոնների իմպլանտացիայի մեթոդի միջոցով:

Արագացուցիչ համակարգերը սովորաբար դասակարգվում են միջին հոսանքի, բարձր հոսանքի, բարձր էներգիայի և շատ նշանակալի դոզայի:

Իոնային իմպլանտացիայի փնջի նախագծման բոլոր տեսակները պարունակում են ֆունկցիոնալ բաղադրիչների որոշակի ընդհանուր խմբեր: Նկատի առ օրինակներ։ Իոնների իմպլանտացիայի առաջին ֆիզիկական և ֆիզիկաքիմիական հիմքերը ներառում են մի սարք, որը հայտնի է որպես մասնիկներ առաջացնող աղբյուր: Այս սարքը սերտորեն կապված է կողմնակալ էլեկտրոդների հետ՝ ատոմները ճառագայթի գիծ հանելու համար, և առավել հաճախ՝ արագացուցիչի հիմնական հատված տեղափոխման հատուկ եղանակներ ընտրելու որոշ միջոցների հետ: «Զանգվածի» ընտրությունը հաճախ ուղեկցվում է արդյունահանվող իոնային ճառագայթի անցմամբ մագնիսական դաշտի տարածքով, որի ելքի ուղին սահմանափակվում է փակող անցքերով կամ «անցքերով», որոնք թույլ են տալիս միայն զանգվածի և արագության արտադրյալի որոշակի արժեք ունեցող իոններ:. Եթե թիրախային մակերեսը ավելի մեծ է, քան իոնային ճառագայթի տրամագիծը ևեթե իմպլանտացված դոզան ավելի հավասարաչափ է բաշխվում դրա վրա, ապա օգտագործվում է ճառագայթի սկանավորման և թիթեղների շարժման որոշակի համակցություն: Ի վերջո, թիրախը կապված է իմպլանտացված իոնների կուտակված լիցքը հավաքելու ինչ-որ եղանակի հետ, որպեսզի առաքվող դոզան շարունակաբար չափվի և գործընթացը դադարեցվի ցանկալի մակարդակում։

Կիրառում կիսահաղորդիչների արտադրության մեջ

Դոպինգը բորի, ֆոսֆորի կամ մկնդեղի հետ այս գործընթացի տարածված կիրառությունն է: Կիսահաղորդիչների իոնային իմպլանտացիայի ժամանակ յուրաքանչյուր դոպանտ ատոմ կարող է լիցքավորող կրիչ ստեղծել կռումից հետո: Դուք կարող եք փոս կառուցել p-տիպի դոպանտի և n-տիպի էլեկտրոնի համար: Սա փոխում է կիսահաղորդչի հաղորդունակությունը նրա մոտակայքում: Տեխնիկան օգտագործվում է, օրինակ, MOSFET-ի շեմը կարգավորելու համար:

Իոնների իմպլանտացիան մշակվել է որպես ֆոտոգալվանային սարքերում pn հանգույց ստանալու մեթոդ 1970-ականների վերջին և 1980-ականների սկզբին, ինչպես նաև իմպուլսային էլեկտրոնային ճառագայթների կիրառումն արագ եռացման համար, թեև առայսօր այն առևտրայնացված չէ:

Սիլիցիում մեկուսիչի վրա

Պայմանական սիլիցիումային սուբստրատներից մեկուսիչի (SOI) ենթաշերտերի վրա այս նյութի արտադրության հայտնի մեթոդներից մեկը SIMOX (տարանջատում թթվածնի իմպլանտացիայի միջոցով) պրոցեսն է, որի ժամանակ բարձր չափաբաժիններով օդը վերածվում է սիլիցիումի օքսիդի: բարձր ջերմաստիճանի հալման գործընթաց։

Mesotaxy

Սա բյուրեղագրական աճի տերմինն էհամընկնող փուլ հիմնական բյուրեղի մակերեսի տակ: Այս գործընթացում իոնները բավականաչափ բարձր էներգիայով և դոզայով տեղադրվում են նյութի մեջ՝ երկրորդ փուլային շերտ ստեղծելու համար, և ջերմաստիճանը վերահսկվում է այնպես, որ թիրախային կառուցվածքը չքանդվի: Շերտի բյուրեղային կողմնորոշումը կարող է նախագծվել նպատակին համապատասխան, նույնիսկ եթե ցանցի ճշգրիտ հաստատունը կարող է շատ տարբեր լինել: Օրինակ, սիլիցիումի վաֆլի մեջ նիկելի իոններ ներդնելուց հետո կարող է աճել սիլիցիդի շերտ, որի բյուրեղային կողմնորոշումը համընկնում է սիլիցիումի հետ:

Մետաղական հարդարման հավելված

Ազոտը կամ այլ իոնները կարող են տեղադրվել գործիքի պողպատե թիրախի մեջ (օրինակ՝ փորվածք): Կառուցվածքային փոփոխությունը առաջացնում է մակերևույթի սեղմում նյութի մեջ, ինչը կանխում է ճաքերի տարածումը և դրանով իսկ ավելի դիմացկուն է դարձնում կոտրվածքների նկատմամբ:

Մակերևույթի ավարտ

Որոշ կիրառություններում, օրինակ, պրոթեզների համար, ինչպիսիք են արհեստական հոդերը, ցանկալի է ունենալ թիրախ, որը բարձր դիմացկուն է ինչպես քիմիական կոռոզիայից, այնպես էլ շփման պատճառով մաշվածությանը: Իոնային իմպլանտացիան օգտագործվում է նման սարքերի մակերեսները նախագծելու համար՝ ավելի հուսալի աշխատանքի համար: Ինչպես գործիքային պողպատների դեպքում, իոնային իմպլանտացիայի արդյունքում առաջացած թիրախային փոփոխությունը ներառում է և՛ մակերեսի սեղմում, որը կանխում է ճաքերի տարածումը, և՛ համաձուլումը՝ այն քիմիապես ավելի դիմացկուն դարձնելու կոռոզիայից:

Այլհավելվածներ

Իմպլանտացիան կարող է օգտագործվել իոնային ճառագայթների խառնման, այսինքն՝ միջերեսում տարբեր տարրերի ատոմների միախառնման հասնելու համար: Սա կարող է օգտակար լինել աստիճանավոր մակերեսներ ձեռք բերելու կամ չխառնվող նյութերի շերտերի միջև կպչունությունը բարձրացնելու համար:

Նանոմասնիկների առաջացում

Իոնների իմպլանտացիան կարող է օգտագործվել օքսիդներում նանոմաշտաբով նյութեր առաջացնելու համար, ինչպիսիք են շափյուղան և սիլիցիումի երկօքսիդը: Ատոմները կարող են ձևավորվել տեղումների կամ խառը նյութերի ձևավորման արդյունքում, որոնք պարունակում են և՛ իոնային իմպլանտացված տարր, և՛ սուբստրատ։

Նանոմասնիկներ ստանալու համար օգտագործվող իոնային ճառագայթների տիպիկ էներգիաները գտնվում են 50-ից մինչև 150 կՎ-ի միջակայքում, իսկ իոնների հոսքը 10-16-ից մինչև 10-18 կՎ է: տես Նյութերի լայն տեսականի կարող է ձևավորվել 1 նմ-ից մինչև 20 նմ չափսերով և կոմպոզիցիաներով, որոնք կարող են պարունակել իմպլանտացված մասնիկներ, համակցություններ, որոնք բաղկացած են բացառապես սուբստրատի հետ կապված կատիոնից:

Դիէլեկտրիկի վրա հիմնված նյութերը, ինչպիսին է շափյուղան, որը պարունակում է մետաղի իոնների իմպլանտացիայի ցրված նանոմասնիկներ, խոստումնալից նյութեր են օպտոէլեկտրոնիկայի և ոչ գծային օպտիկայի համար:

Խնդիրներ

Յուրաքանչյուր առանձին իոն առաջացնում է բազմաթիվ կետային թերություններ թիրախային բյուրեղում հարվածի կամ միջաստղային ազդեցության ժամանակ: Թափուր տեղերը ցանցային կետեր են, որոնք ատոմով չեն զբաղեցնում. այս դեպքում իոնը բախվում է թիրախային ատոմին, ինչը հանգեցնում է նրան զգալի քանակությամբ էներգիայի փոխանցմանը, և այն թողնում է իրհողամաս. Այս թիրախ օբյեկտն ինքնին դառնում է արկ պինդ մարմնի մեջ և կարող է առաջացնել հաջորդական բախումներ։ Միջանկյալ մասնիկներն առաջանում են, երբ այդպիսի մասնիկները կանգ են առնում պինդ վիճակում, բայց ցանցում ազատ տարածություն չեն գտնում ապրելու համար: Այս կետային թերությունները իոնների իմպլանտացիայի ժամանակ կարող են գաղթել և հավաքվել միմյանց հետ՝ հանգեցնելով տեղահանման օղակների և այլ խնդիրների առաջացման:

ամորֆիզացիա

Բյուրեղագրական վնասի չափը կարող է բավարար լինել թիրախային մակերեսն ամբողջությամբ անցնելու համար, այսինքն՝ այն պետք է դառնա ամորֆ պինդ: Որոշ դեպքերում թիրախի ամբողջական ամորֆացումը գերադասելի է, քան թերության բարձր աստիճան ունեցող բյուրեղը. նման թաղանթը կարող է նորից աճել ավելի ցածր ջերմաստիճանում, քան պահանջվում է խիստ վնասված բյուրեղը կռելու համար: Ենթաշերտի ամորֆացումը կարող է առաջանալ ճառագայթի փոփոխության արդյունքում: Օրինակ՝ շափյուղայի մեջ իտրիումի իոններ ներդնելիս 150 կՎ ճառագայթի էներգիայով մինչև 510-16 Y+/քառ. սմ, ձևավորվում է մոտավորապես 110 նմ հաստությամբ ապակենման շերտ, որը չափվում է արտաքին մակերեսից:

Սփրեյ

Բախման որոշ իրադարձություններ հանգեցնում են նրան, որ ատոմները դուրս են մղվում մակերեսից, և այդպիսով իոնների իմպլանտացիան դանդաղորեն կփորագրի մակերեսը: Էֆեկտը նկատելի է միայն շատ մեծ չափաբաժինների դեպքում։

Ion ալիք

Եթե բյուրեղագրական կառուցվածքը կիրառվում է թիրախի վրա, հատկապես կիսահաղորդչային ենթաշերտերում, որտեղ այն ավելիբաց է, ապա կոնկրետ ուղղությունները դադարում են շատ ավելի քիչ, քան մյուսները: Արդյունքն այն է, որ իոնի տիրույթը կարող է շատ ավելի մեծ լինել, եթե այն շարժվի ճիշտ որոշակի ճանապարհով, օրինակ՝ սիլիցիումի և այլ ադամանդե խորանարդ նյութերի մեջ: Այս էֆեկտը կոչվում է ion channeling և, ինչպես բոլոր նմանատիպ էֆեկտները, խիստ ոչ գծային է, իդեալական կողմնորոշումից փոքր շեղումներով, ինչը հանգեցնում է իմպլանտացիայի խորության զգալի տարբերությունների: Այս պատճառով, մեծամասնությունը առանցքից դուրս է աշխատում մի քանի աստիճանով, որտեղ հավասարեցման փոքր սխալներն ավելի կանխատեսելի ազդեցություն կունենան: