Iooninplanting: konsep, werkingsbeginsel, metodes, doel en toepassing

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 10:16

Iooninplanting is 'n lae-temperatuur proses waardeur die komponente van 'n enkele element in die soliede oppervlak van 'n wafer versnel word, en sodoende die fisiese, chemiese of elektriese eienskappe daarvan verander. Hierdie metode word gebruik in die vervaardiging van halfgeleiertoestelle en in metaalafwerking, sowel as in materiaalwetenskapnavorsing. Komponente kan die elementêre samestelling van die plaat verander as hulle stop en daarin bly. Iooninplanting veroorsaak ook chemiese en fisiese veranderinge wanneer atome met 'n teiken teen hoë energie bots. Die kristallyne struktuur van die plaat kan beskadig of selfs vernietig word deur energiekaskenades van botsings, en deeltjies met voldoende hoë energie (10 MeV) kan kerntransmutasie veroorsaak.

Algemene beginsel van iooninplanting

Toerusting bestaan gewoonlik uit 'n bron waar atome van die verlangde element gevorm word, 'n versneller waar hulle elektrostaties versnel word tot 'n hoëenergie, en teikenkamers waar hulle met die teiken, wat die materiaal is, bots. Hierdie proses is dus 'n spesiale geval van deeltjiebestraling. Elke ioon is gewoonlik 'n enkele atoom of molekule, en dus is die werklike hoeveelheid materiaal wat in die teiken ingeplant is die tydintegraal van die ioonstroom. Hierdie nommer word die dosis genoem. Die strome wat deur inplantings verskaf word, is gewoonlik klein (mikroamps) en daarom is die hoeveelheid wat binne 'n redelike tyd ingeplant kan word, klein. Daarom word iooninplanting gebruik in gevalle waar die aantal chemiese veranderinge wat benodig word, klein is.

Tipiese ioon-energieë wissel van 10 tot 500 keV (1600 tot 80000 aJ). Iooninplanting kan gebruik word teen lae energieë in die reeks van 1 tot 10 keV (160 tot 1600 aJ), maar die penetrasie is slegs 'n paar nanometer of minder. Krag onder hierdie lei tot baie min skade aan die teiken en val onder die benaming van ioonstraalneerlegging. En hoër energieë kan ook gebruik word: versnellers wat in staat is tot 5 MeV (800 000 aJ) is algemeen. Daar is egter dikwels baie strukturele skade aan die teiken, en omdat die diepteverspreiding wyd is (Bragg-piek), sal die netto verandering in samestelling op enige punt op die teiken klein wees.

Die energie van die ione, sowel as verskillende tipes atome en die samestelling van die teiken, bepaal die diepte van penetrasie van deeltjies in 'n vaste stof. 'n Mono-energetiese ioonstraal het gewoonlik 'n wye diepteverspreiding. Die gemiddelde penetrasie word die reeks genoem. BYonder tipiese toestande sal dit tussen 10 nanometer en 1 mikrometer wees. Dus, lae-energie ioon-inplanting is veral nuttig in gevalle waar dit verlang word dat die chemiese of strukturele verandering naby die teikenoppervlak moet wees. Deeltjies verloor geleidelik hul energie soos hulle deur 'n vaste stof beweeg, beide van ewekansige botsings met teikenatome (wat skielike energie-oordragte veroorsaak) en van effense vertraging van die oorvleueling van elektronorbitale, wat 'n aaneenlopende proses is. Die energieverlies van ione in 'n teiken word stalling genoem en kan gemodelleer word deur die ioon-inplantingsmetode van die binêre botsingsbenadering te gebruik.

Versnellerstelsels word oor die algemeen geklassifiseer in mediumstroom, hoë stroom, hoë energie en baie beduidende dosis.

Alle variëteite van ioon-inplantingsbalkontwerpe bevat sekere algemene groepe funksionele komponente. Oorweeg voorbeelde. Die eerste fisiese en fisies-chemiese grondslae van iooninplanting sluit 'n toestel in wat bekend staan as 'n bron vir die opwekking van deeltjies. Hierdie toestel is nou geassosieer met bevooroordeelde elektrodes vir die onttrekking van atome in die bundellyn en meestal met 'n manier om spesifieke modusse vir vervoer na die hoofgedeelte van die versneller te kies. Die keuse van "massa" gaan dikwels gepaard met die deurgang van die onttrekde ioonstraal deur 'n gebied van magnetiese veld met 'n uitgangspad wat beperk word deur blokkerende gate of "gleuwe" wat slegs ione met 'n sekere waarde van die produk van massa en snelheid toelaat.. As die teikenoppervlak groter is as die ioonstraaldeursnee enas die ingeplante dosis meer eweredig daaroor versprei is, word 'n kombinasie van straalskandering en plaatbeweging gebruik. Laastens word die teiken gekoppel aan een of ander manier om die opgehoopte lading van die ingeplante ione te versamel sodat die afgelewerde dosis deurlopend gemeet kan word en die proses op die verlangde vlak gestop kan word.

Toepassing in halfgeleiervervaardiging

Doping met boor, fosfor of arseen is 'n algemene toepassing van hierdie proses. By iooninplanting van halfgeleiers kan elke doteeratoom 'n ladingdraer skep na uitgloeiing. Jy kan 'n gat bou vir 'n p-tipe dotermiddel en 'n n-tipe elektron. Dit verander die geleidingsvermoë van die halfgeleier in sy omgewing. Die tegniek word byvoorbeeld gebruik om die drempel van 'n MOSFET aan te pas.

Iooninplanting is ontwikkel as 'n metode om 'n pn-aansluiting in fotovoltaïese toestelle te verkry in die laat 1970's en vroeë 1980's, tesame met die gebruik van 'n gepulseerde elektronstraal vir vinnige uitgloeiing, hoewel dit tot op hede nie gekommersialiseer is nie.

Silicon on isolator

Een van die bekende metodes vir die vervaardiging van hierdie materiaal op isolator (SOI) substrate van konvensionele silikon substrate is die SIMOX (skeiding deur suurstof inplanting) proses, waarin hoë dosis lug in silikon oksied omgeskakel word deur 'n hoë-temperatuur uitgloeiingsproses.

Mesotaxy

Dit is die term vir groei kristallografiessamevallende fase onder die oppervlak van die hoofkristal. In hierdie proses word ione teen 'n voldoende hoë energie en dosis in die materiaal ingeplant om 'n tweede faselaag te skep, en die temperatuur word beheer sodat die teikenstruktuur nie vernietig word nie. Die kristaloriëntasie van die laag kan ontwerp word om die doel te pas, selfs al kan die presiese roosterkonstante baie verskil. Byvoorbeeld, nadat nikkelione in 'n silikonwafel ingeplant is, kan 'n laag silicium gegroei word waarin die kristaloriëntasie ooreenstem met dié van silikon.

Metaalafwerking-toepassing

Stikstof of ander ione kan in 'n gereedskapsta alteiken (soos 'n boor) ingeplant word. Die strukturele verandering veroorsaak oppervlakkompressie in die materiaal, wat kraakvoortplanting voorkom en dit dus meer weerstand teen breuk maak.

Oppervlakafwerking

In sommige toepassings, byvoorbeeld vir prosteses soos kunsmatige gewrigte, is dit wenslik om 'n teiken te hê wat hoogs bestand is teen beide chemiese korrosie en slytasie as gevolg van wrywing. Iooninplanting word gebruik om die oppervlaktes van sulke toestelle te ontwerp vir meer betroubare werkverrigting. Soos met gereedskapstaal, sluit teikenmodifikasie wat deur iooninplanting veroorsaak word beide oppervlakkompressie om kraakvoortplanting te voorkom en legering om dit meer chemies bestand teen korrosie te maak.

Andertoepassings

Inplanting kan gebruik word om vermenging van ioonstrale te verkry, dit wil sê die vermenging van atome van verskillende elemente by die koppelvlak. Dit kan nuttig wees om gegradueerde oppervlaktes te bereik of om adhesie tussen lae onmengbare materiale te verbeter.

Vorming van nanopartikels

Iooninplanting kan gebruik word om nanoskaalmateriale in oksiede soos saffier en silikondioksied te induseer. Atome kan gevorm word as gevolg van neerslag of die vorming van gemengde stowwe wat beide 'n ioon-geïnplanteerde element en 'n substraat bevat.

Tipiese ioonstraalenergieë wat gebruik word om nanopartikels te verkry, is in die reeks van 50 tot 150 keV, en die ioonvloei is van 10-16 tot 10-18 kV. sien 'n Wye verskeidenheid materiale kan gevorm word met groottes van 1 nm tot 20 nm en met samestellings wat ingeplante deeltjies kan bevat, kombinasies wat uitsluitlik bestaan uit 'n katioon wat aan die substraat gebind is.

Diëlektriese-gebaseerde materiale soos saffier, wat verspreide nanopartikels van metaalioon-inplanting bevat, is belowende materiale vir opto-elektronika en nie-lineêre optika.

Probleme

Elke individuele ioon produseer baie puntdefekte in die teikenkristal by impak of interstisiaal. Vakatures is roosterpunte wat nie deur 'n atoom beset word nie: in hierdie geval bots die ioon met die teikenatoom, wat lei tot die oordrag van 'n aansienlike hoeveelheid energie na dit, sodat dit sykomplot. Hierdie teikenvoorwerp word self 'n projektiel in 'n soliede liggaam en kan opeenvolgende botsings veroorsaak. Tussenruimtes vind plaas wanneer sulke deeltjies in 'n vaste stof stop, maar geen vrye spasie in die rooster vind om in te woon nie. Hierdie puntdefekte tydens iooninplanting kan migreer en groepeer met mekaar, wat lei tot die vorming van ontwrigtinglusse en ander probleme.

Amorfisering

Die hoeveelheid kristallografiese skade kan voldoende wees om die teikenoppervlak heeltemal oor te skakel, dit wil sê dit moet 'n amorfe vaste stof word. In sommige gevalle is volledige amorfisering van die teiken verkieslik bo 'n kristal met 'n hoë mate van gebrekkigheid: so 'n film kan weer groei teen 'n laer temperatuur as wat nodig is vir die uitgloeiing van 'n erg beskadigde kristal. Amorfisering van die substraat kan plaasvind as gevolg van straalveranderinge. Byvoorbeeld, wanneer yttriumione in saffier ingeplant word teen 'n straalenergie van 150 keV tot 'n vloei van 510-16 Y+/vk. cm, word 'n glasagtige laag ongeveer 110 nm dik gevorm, gemeet vanaf die buitenste oppervlak.

Spray

Sommige van die botsingsgebeure veroorsaak dat atome van die oppervlak af uitgestoot word, en dus sal ioon-inplanting die oppervlak stadig wegets. Die effek is slegs opmerklik vir baie groot dosisse.

Ioonkanaal

As 'n kristallografiese struktuur op die teiken toegepas word, veral in halfgeleiersubstrate waar dit meer isoop is, dan stop spesifieke aanwysings baie minder as ander. Die gevolg is dat die omvang van 'n ioon baie groter kan wees as dit presies langs 'n sekere pad beweeg, soos in silikon en ander diamant kubieke materiale. Hierdie effek word ioonkanalisering genoem en is, soos alle soortgelyke effekte, hoogs nie-lineêr, met klein afwykings van ideale oriëntasie wat lei tot beduidende verskille in inplantingsdiepte. Om hierdie rede loop die meeste 'n paar grade van die as af, waar klein belyningsfoute meer voorspelbare effekte sal hê.