Implantimi i joneve: koncepti, parimi i funksionimit, metodat, qëllimi dhe aplikimi

2025 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2025-01-24 13:25

Implantimi i joneve është një proces në temperaturë të ulët me anë të të cilit përbërësit e një elementi të vetëm përshpejtohen në sipërfaqen e ngurtë të një vafere, duke ndryshuar kështu vetitë e saj fizike, kimike ose elektrike. Kjo metodë përdoret në prodhimin e pajisjeve gjysmëpërçuese dhe në përfundimin e metaleve, si dhe në kërkimin shkencor të materialeve. Komponentët mund të ndryshojnë përbërjen elementare të pllakës nëse ndalojnë dhe mbeten në të. Implantimi i joneve gjithashtu shkakton ndryshime kimike dhe fizike kur atomet përplasen me një objektiv me energji të lartë. Struktura kristalore e pllakës mund të dëmtohet apo edhe të shkatërrohet nga kaskada energjetike të përplasjeve dhe grimcat me energji mjaftueshëm të lartë (10 MeV) mund të shkaktojnë transmutacion bërthamor.

Parimi i përgjithshëm i implantimit të joneve

Pajisja zakonisht përbëhet nga një burim ku formohen atomet e elementit të dëshiruar, një përshpejtues ku ato përshpejtohen elektrostatikisht në një nivel të lartëenergjinë dhe dhomat e objektivit ku përplasen me objektivin, që është materiali. Kështu, ky proces është një rast i veçantë i rrezatimit të grimcave. Çdo jon është zakonisht një atom ose molekulë e vetme, dhe kështu sasia aktuale e materialit të implantuar në objektiv është integrali kohor i rrymës së jonit. Ky numër quhet dozë. Rrymat e furnizuara nga implantet janë zakonisht të vogla (mikroamps) dhe për këtë arsye sasia që mund të implantohet në një kohë të arsyeshme është e vogël. Prandaj, implantimi i joneve përdoret në rastet kur numri i ndryshimeve kimike të kërkuara është i vogël.

Energjitë tipike të joneve variojnë nga 10 në 500 keV (1600 deri në 80000 aJ). Implantimi i joneve mund të përdoret me energji të ulëta në rangun nga 1 deri në 10 keV (160 deri në 1600 aJ), por depërtimi është vetëm disa nanometra ose më pak. Fuqia nën këtë rezulton në dëmtim shumë të vogël të objektivit dhe bie nën përcaktimin e depozitimit të rrezes jonike. Dhe mund të përdoren gjithashtu energji më të larta: përshpejtuesit e aftë për 5 MeV (800,000 aJ) janë të zakonshëm. Megjithatë, shpesh ka shumë dëmtime strukturore në objektiv dhe për shkak se shpërndarja e thellësisë është e gjerë (maja e Bragg), ndryshimi neto në përbërje në çdo pikë të objektivit do të jetë i vogël.

Energjia e joneve, si dhe llojet e ndryshme të atomeve dhe përbërja e objektivit, përcaktojnë thellësinë e depërtimit të grimcave në një trup të ngurtë. Një rreze jonesh monoenergjetike zakonisht ka një shpërndarje të gjerë thellësie. Depërtimi mesatar quhet diapazoni. ATnë kushte tipike do të jetë midis 10 nanometër dhe 1 mikrometër. Kështu, implantimi i joneve me energji të ulët është veçanërisht i dobishëm në rastet kur dëshirohet që ndryshimi kimik ose strukturor të jetë pranë sipërfaqes së synuar. Grimcat gradualisht humbasin energjinë e tyre ndërsa kalojnë përmes një trupi të ngurtë, si nga përplasjet e rastësishme me atomet e synuara (të cilat shkaktojnë transferime të papritura të energjisë) ashtu edhe nga ngadalësimi i lehtë nga mbivendosja e orbitaleve të elektroneve, që është një proces i vazhdueshëm. Humbja e energjisë e joneve në një objektiv quhet ngecje dhe mund të modelohet duke përdorur metodën e implantimit të joneve të përafrimit të përplasjes binare.

Sistemet e përshpejtuesit në përgjithësi klasifikohen në rrymë mesatare, rrymë të lartë, energji të lartë dhe dozë shumë domethënëse.

Të gjitha varietetet e modeleve të rrezeve të implantimit të joneve përmbajnë grupe të caktuara të përbashkëta të komponentëve funksionalë. Konsideroni shembuj. Bazat e para fizike dhe fiziko-kimike të implantimit të joneve përfshijnë një pajisje të njohur si një burim për gjenerimin e grimcave. Kjo pajisje është e lidhur ngushtë me elektroda të njëanshme për nxjerrjen e atomeve në vijën e rrezes dhe më shpesh me disa mjete për zgjedhjen e mënyrave specifike për transport në seksionin kryesor të përshpejtuesit. Zgjedhja e "masës" shoqërohet shpesh me kalimin e rrezes së joneve të nxjerra përmes një zone të fushës magnetike me një rrugë daljeje të kufizuar nga bllokimi i vrimave ose "slotave" që lejojnë vetëm jone me një vlerë të caktuar të produktit të masës dhe shpejtësisë.. Nëse sipërfaqja e synuar është më e madhe se diametri i rrezes jonike dhenëse doza e implantuar shpërndahet në mënyrë më të barabartë mbi të, atëherë përdoret një kombinim i skanimit të rrezes dhe lëvizjes së pllakës. Së fundi, objektivi lidhet me një mënyrë për të mbledhur ngarkesën e akumuluar të joneve të implantuara në mënyrë që doza e dhënë të mund të matet vazhdimisht dhe procesi të ndalet në nivelin e dëshiruar.

Aplikim në prodhimin e gjysmëpërçuesve

Dopingu me bor, fosfor ose arsenik është një aplikim i zakonshëm i këtij procesi. Në implantimin e joneve të gjysmëpërçuesve, çdo atom dopant mund të krijojë një bartës ngarkese pas pjekjes. Ju mund të ndërtoni një vrimë për një dopant të tipit p dhe një elektron të tipit n. Kjo ndryshon përçueshmërinë e gjysmëpërçuesit në afërsi të tij. Teknika përdoret, për shembull, për të rregulluar pragun e një MOSFET.

Implantimi i joneve u zhvillua si një metodë për marrjen e një lidhjeje pn në pajisjet fotovoltaike në fund të viteve 1970 dhe në fillim të viteve 1980, së bashku me përdorimin e një rreze elektronike pulsuese për pjekje të shpejtë, megjithëse nuk është komercializuar deri më sot.

Silikon në izolues

Një nga metodat e njohura për prodhimin e këtij materiali në substrate izolatorësh (SOI) nga nënshtresat konvencionale të silikonit është procesi SIMOX (ndarja me anë të implantimit të oksigjenit), në të cilin ajri me dozë të lartë konvertohet në oksid silikoni përmes një procesi i pjekjes në temperaturë të lartë.

Mezotaksia

Ky është termi për rritjen kristalografikefaza që përkon nën sipërfaqen e kristalit kryesor. Në këtë proces, jonet implantohen me një energji dhe dozë mjaft të lartë në material për të krijuar një shtresë të fazës së dytë, dhe temperatura kontrollohet në mënyrë që struktura e synuar të mos shkatërrohet. Orientimi kristal i shtresës mund të projektohet për t'iu përshtatur qëllimit, edhe nëse konstanta e saktë e rrjetës mund të jetë shumë e ndryshme. Për shembull, pas futjes së joneve të nikelit në një vafer silikoni, mund të rritet një shtresë silici në të cilën orientimi i kristalit përputhet me atë të silikonit.

Aplikacion për përfundimin metalik

Azoti ose jone të tjerë mund të futen në një objektiv prej çeliku për vegla (të tilla si një stërvitje). Ndryshimi strukturor shkakton ngjeshje sipërfaqësore në material, gjë që parandalon përhapjen e plasaritjes dhe kështu e bën atë më rezistent ndaj thyerjes.

Finimi i sipërfaqes

Në disa aplikime, për shembull për proteza të tilla si nyjet artificiale, është e dëshirueshme që të keni një objektiv që është shumë rezistent si ndaj korrozionit kimik dhe ndaj konsumit për shkak të fërkimit. Implantimi i joneve përdoret për të projektuar sipërfaqet e pajisjeve të tilla për performancë më të besueshme. Ashtu si me çeliqet e veglave, modifikimi i objektivit i shkaktuar nga implantimi i joneve përfshin si ngjeshjen e sipërfaqes për të parandaluar përhapjen e plasaritjes dhe lidhjen për ta bërë atë më rezistent kimikisht ndaj korrozionit.

Tjetëraplikimet

Implantimi mund të përdoret për të arritur përzierjen e rrezeve jonike, domethënë përzierjen e atomeve të elementeve të ndryshëm në ndërfaqe. Kjo mund të jetë e dobishme për arritjen e sipërfaqeve të shkallëzuara ose për rritjen e ngjitjes ndërmjet shtresave të materialeve të papërziershme.

Formimi i nanogrimcave

Implantimi i joneve mund të përdoret për të nxitur materiale në shkallë nano në okside si safiri dhe dioksidi i silikonit. Atomet mund të formohen si rezultat i reshjeve ose formimit të substancave të përziera që përmbajnë një element të implantuar me jon dhe një substrat.

Energjitë tipike të rrezeve jonike të përdorura për të marrë nanogrimca janë në rangun nga 50 në 150 keV dhe rrjedha e joneve është nga 10-16 në 10-18 kV. shih Një shumëllojshmëri e gjerë materialesh mund të formohen me madhësi nga 1 nm deri në 20 nm dhe me përbërje që mund të përmbajnë grimca të implantuara, kombinime që përbëhen vetëm nga një kation i lidhur me substratin.

Materialet me bazë dielektrike si safiri, të cilat përmbajnë nanogrimca të shpërndara të implantimit të joneve metalike, janë materiale premtuese për optoelektronikën dhe optikën jolineare.

Probleme

Çdo jon individual prodhon shumë defekte pikash në kristalin e synuar pas goditjes ose intersticialit. Vendet e lira janë pika grilë që nuk zënë një atom: në këtë rast, joni përplaset me atomin e synuar, gjë që çon në transferimin e një sasie të konsiderueshme energjie tek ai, në mënyrë që të largohet ngakomplot. Ky objekt objektiv në vetvete bëhet një predhë në një trup të fortë dhe mund të shkaktojë përplasje të njëpasnjëshme. Ndërprerjet ndodhin kur grimca të tilla ndalojnë në një trup të ngurtë, por nuk gjejnë hapësirë të lirë në rrjetë për të jetuar. Këto defekte pikash gjatë implantimit të joneve mund të migrojnë dhe të grumbullohen me njëra-tjetrën, duke çuar në formimin e sytheve të dislokimit dhe probleme të tjera.

Amorfizimi

Sasia e dëmtimit kristalografik mund të jetë e mjaftueshme për të kaluar plotësisht sipërfaqen e synuar, domethënë, ajo duhet të bëhet një solide amorfe. Në disa raste, amorfizimi i plotë i objektivit preferohet nga një kristal me një shkallë të lartë defekti: një film i tillë mund të rritet përsëri në një temperaturë më të ulët se sa kërkohet për pjekjen e një kristali të dëmtuar rëndë. Amorfizimi i nënshtresës mund të ndodhë si rezultat i ndryshimeve të rrezeve. Për shembull, kur futen jonet e itrit në safir me një energji rrezeje prej 150 keV deri në një rrjedhje prej 510-16 Y+/sq. cm, formohet një shtresë qelqore afërsisht 110 nm e trashë, e matur nga sipërfaqja e jashtme.

Spray

Disa nga ngjarjet e përplasjes shkaktojnë nxjerrjen e atomeve nga sipërfaqja, dhe kështu implantimi i joneve do të gërmojë ngadalë sipërfaqen. Efekti është i dukshëm vetëm për doza shumë të mëdha.

Kanali jon

Nëse një strukturë kristalografike aplikohet në objektiv, veçanërisht në nënshtresat gjysmëpërçuese ku është më shumëështë e hapur, atëherë drejtimet specifike ndalojnë shumë më pak se të tjerët. Rezultati është se diapazoni i një joni mund të jetë shumë më i madh nëse ai lëviz saktësisht përgjatë një rruge të caktuar, si për shembull në silikon dhe materiale të tjera kub diamanti. Ky efekt quhet kanalizimi i joneve dhe, si të gjitha efektet e ngjashme, është shumë jolinear, me devijime të vogla nga orientimi ideal që rezulton në dallime të konsiderueshme në thellësinë e implantimit. Për këtë arsye, shumica drejtohen disa gradë jashtë boshtit, ku gabimet e vogla të shtrirjes do të kenë efekte më të parashikueshme.