Ion implantatsiyasi

Fransiyaning Tuluza shahridagi LAAS texnologik ob'ektida ion implantatsiyasi tizimi ko'rinishi

Ion bu zaryadlangan atom yoki molekula boʻlib, unda elektronlar soni protonlar soniga teng emas va shuning hisobiga ion zaryadlangan zarracha hisoblanadi.

Ionlar (yunoncha: ion — borayotgan, harakatlanayotgan) — zaryadlangan zarralar; atom yoki atomlar guruhi (molekulalar, radikallar va b.) elektron (yoki zaryatlangan zarracha) qabul qilganda yo yoʻqotganda hosil boʻladi. "I." tushunchasi va terminini 1834-yilda ingliz olimi M.Faradey birinchi boʻlib tatbiq etgan. U ishqorlar, kislotalar, tuzlarning suvdagi eritmalari elektr oʻtkazuvchanligi I. harakatiga bogʻliq deb hisobladi. Eritmalarning manfiy qutb (katod)ga harakatlanadigan musbat zaryadli I. kationlar, musbat qutb (anod)ga harakatlanadigan zaryadli I. anionlar deyiladi. I. zaryadining kattaligi elektron zaryadiga karrali nisbatdadir: mas, atom 1, 2, 3, ... elektron yoʻqotganda yoki qabul qilganda shunga mos ravishda 1, 2, 3 va h. k. zaryadli I. hosil boʻladi. Elektrolit eritmasida I. erituvchi bilan oʻzaro taʼsir etishi tufayli barqaror boʻladi. I. mavjudligi sababli eritmalar elektr tokini oʻtkazadi (qarang Elektrolitik dissotsiatsiya). Atomdan elektron ajralib, kation hosil boʻlayotganda maʼlum miqdorda energiya sarflanadi va uni atomning ionlash potensiali deyiladi. I. ning xossalari ularning kattaligi va elektron qobigʻining tuzilishiga, zaryadning ishorasi hamda miqdoriga bogʻliq.Ion implantatsiyasi past haroratli jarayon bo'lib, uning yordamida bir elementning ionlari qattiq nishonga tezlashadi va shu bilan nishonning fizik, kimyoviy yoki elektr xususiyatlarini o'zgartiradi. Ion implantatsiyasi yarimo'tkazgichli qurilmalarni ishlab chiqarishda va metallga ishlov berishda, shuningdek materialshunoslik tadqiqotlarida qo'llaniladi. Ionlar nishonning elementar tarkibini o'zgartirishi mumkin. Ion implantatsiyasi, shuningdek, ionlar nishonga yuqori energiya bilan ta'sir qilganda kimyoviy va fizik o'zgarishlarga olib keladi. Maqsadning kristall tuzilishi energetik to'qnashuvlar kaskadlari tomonidan buzilishi yoki hatto yo'q qilinishi mumkin va yetarlicha yuqori energiya (10 MeV) ionlari yadroviy o'zgarishlarga olib kelishi mumkin.

Umumiy tamoyil

Massa separator bilan ion implantatsiyasini o'rnatish

Ion implantatsiyasi uskunasi odatda kerakli elementning ionlari ishlab chiqariladigan ion manbasidan, ionlar yuqori energiyaga yoki radiochastotadan foydalangan holda elektrostatik ravishda tezlashtirilgan tezlatgichdan va ionlar nishonga tegadigan implatatsiya qilinadidigan materia kameradan iborat. Ion implantatsiyasi zarracha nurlanishining alohida holatidir. Har bir ion odatda bitta atom yoki molekuladir va shuning uchun nishonga joylashtirilgan materialning haqiqiy miqdori ion oqimining vaqt o'tishi bilan integraldir. Bu miqdor doza deb ataladi. Implantlar tomonidan ta'minlangan oqimlar odatda kichik (mikro-amper) va shuning uchun o'rtacha vaqt ichida implantatsiya qilinishi mumkin bo'lgan doza miqdori kichikdir. Shuning uchun, ion implantatsiyasi zarur bo'lgan kimyoviy o'zgarishlar miqdori kichik bo'lgan hollarda qo'llaniladi.

Odatda ion energiyalari 10 dan 500 keV gacha (1600 dan 80 000 J gacha). 1 dan 10 keV (160 dan 1600 J) gacha bo'lgan energiyadan foydalanish mumkin, lekin faqat bir necha nanometr yoki undan kamroq penetratsiyaga olib keladi. Bundan pastroq energiya nishonga juda kam zarar yetkazadi va ion nurlarining cho'kishi belgisi ostida qoladi. Yuqori energiyalardan ham foydalanish mumkin: 5 MeV (800 000 J) quvvatga ega tezlatgichlar keng tarqalgan. Biroq, ko'pincha nishonga katta tizimli zarar yetkaziladi va chuqurlik taqsimoti keng bo'lgani uchun ( Bragg cho'qqisi ), maqsadning istalgan nuqtasida aniq tarkibning o'zgarishi kichik bo'ladi.

Ionlarning energiyasi, shuningdek, ion turlari va maqsadning tarkibi qattiq moddadagi ionlarning kirib borish chuqurligini aniqlaydi: Monoenergetik ion nurlari odatda keng chuqurlik taqsimotiga ega bo'ladi. O'rtacha kirish chuqurligi ionlarning diapazoni deb ataladi. Odatdagi sharoitlarda ion diapazonlari 10 nanometr va 1 mikrometr orasida bo'ladi. Shunday qilib, ion implantatsiyasi, ayniqsa, kimyoviy yoki strukturaviy o'zgarishlar nishon yuzasiga yaqin bo'lishi kerak bo'lgan hollarda foydalidir. Qattiq jismda harakatlanayotganda ionlar oʻz energiyasini asta-sekin yoʻqotadi va elektron orbitallarning bir-birining ustiga chiqishi natijasida yuzaga keladigan yengil tortishish natijasida uzluksiz jarayondir. Nishondagi ion energiyasining yo'qolishi to'xtash deb ataladi va uni ikkilik to'qnashuvni yaqinlashish usuli bilan simulyatsiya qilish mumkin.

Ion implantatsiyasi uchun tezlatgich tizimlari odatda o'rta oqimga (10 mA va ~ 2 mA gacha bo'lgan ion nurlari oqimlari), yuqori oqimga (~30 mA gacha bo'lgan ion nurlari oqimlari), yuqori energiyaga (200 keV dan yuqori ion energiyasi va 10 MeV gacha) bo'linadi va juda yuqori doza (10 ¹⁶ ion/sm ² dan yuqori dozani samarali implantatsiya qilish).

Ion manbai

Ion implantatsiyasi nur chizig'ining barcha turlari funktsional komponentlarning umumiy guruhlarini o'z ichiga oladi. Ion nur chizig'ining birinchi asosiy segmenti ion turlarini yaratish uchun ishlatiladigan ion manbasini o'z ichiga oladi. Manba nur chizig'iga ionlarni olish uchun egilgan elektrodlar bilan chambarchas bog'langan va ko'pincha asosiy tezlatgich bo'limiga tashish uchun ma'lum bir ion turini tanlashning ba'zi vositalariga bog'langan.

"Massa" ko'pincha ajratilgan ion nurlarining faqat ma'lum bir qiymatga ega bo'lgan ionlarga ruxsat beruvchi teshiklarni yopish yoki "tirqishlar" bilan cheklangan chiqish yo'li bilan magnit maydon hududidan o'tishi bilan birga keladi. nur chizig'ini davom ettirish uchun massa va tezlik / zaryadning mahsuloti. Agar maqsadli sirt ion nurlarining diametridan kattaroq bo'lsa va implantatsiya qilingan dozani maqsadli sirt bo'ylab bir xil taqsimlash kerak bo'lsa, u holda nurni skanerlash va gofret harakatining ba'zi kombinatsiyasi qo'llaniladi. Nihoyat, implantatsiya qilingan sirt implantatsiya qilingan ionlarning to'plangan zaryadini yig'ishning ba'zi usullari bilan birlashtiriladi, shunda etkazib berilgan dozani doimiy ravishda o'lchash mumkin va implantatsiya jarayoni kerakli doza darajasida to'xtatiladi.

Yarimo'tkazgichli qurilmalar ishlab chiqarishda qo'llanilishi

Bor, fosfor yoki mishyak bilan yarimo'tkazgichlarni legerlash qilish ion implantatsiyasining keng tarqalgan qo'llanilishidir. Yarimo'tkazgichga implantatsiya qilinganida, har bir legerlash atomi silliqlangandan keyin yarimo'tkazgichda zaryad tashuvchini yaratishi mumkin. P-tipli dopant uchun teshik va n-tipli dopant uchun elektron yaratilishi mumkin. Bu uning yaqinidagi yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanligini o'zgartiradi. Texnika, masalan, MOSFETning chegara kuchlanishini sozlash uchun ishlatiladi.

Ion implantatsiyasi 1970-yillarning oxiri va 1980-yillarning boshlarida fotovoltaik qurilmalarning pn-birikmasini ishlab chiqarish usuli sifatida ishlab chiqilgan, tez silliqlanish uchun impulsli elektron nurdan foydalanish bilan birga, tez tavlanish uchun impulsli elektron nur hozirgacha ishlab chiqarish uchun foydalanilmagan.

Izolyator ustidagi kremniy

An'anaviy kremniy substratlardan izolyator (SOI) substratlarida kremniyni tayyorlashning mashhur usullaridan biri SIMOX (kislorodni implantatsiya qilish orqali ajratish) jarayoni bo'lib, unda ko'milgan yuqori dozali kislorod implantasi yuqori haroratli silliqlanish jarayoni orqali kremniy oksidiga aylanadi.

Mezotaksiya

Mezotaksiya - kristallografik jihatdan mos keladigan fazaning asosiy kristall yuzasi ostida o'sishi uchun atama ( epitaksiya bilan solishtiring, bu substrat yuzasida mos keladigan fazaning o'sishi). Ushbu jarayonda ionlar ikkinchi faza qatlamini yaratish uchun materialga etarlicha yuqori energiya va dozada implantatsiya qilinadi va maqsadning kristall tuzilishi buzilmasligi uchun harorat nazorat qilinadi. Qatlamning kristall yo'nalishi nishonga mos keladigan tarzda ishlab chiqilishi mumkin, garchi aniq kristal tuzilishi va panjara doimiyligi juda boshqacha bo'lishi mumkin. Misol uchun, nikel ionlari kremniy gofretga implantatsiya qilingandan so'ng, nikel silisid qatlami o'stirilishi mumkin, unda silisidning kristall yo'nalishi kremniynikiga mos keladi.