Ion መትከል፡ ጽንሰ-ሀሳብ፣ የአሰራር መርህ፣ ዘዴዎች፣ አላማ እና አተገባበር

2024 ደራሲ ደራሲ: Howard Calhoun | [email protected]. ለመጨረሻ ጊዜ የተሻሻለው: 2023-12-17 10:17

አዮን መትከል ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ያለው ሂደት ሲሆን ይህም የአንድ ንጥረ ነገር አካላት በፍጥነት ወደ ጠጣር የዋፈር ወለል ውስጥ እንዲገቡ በማድረግ አካላዊ፣ ኬሚካላዊ ወይም ኤሌክትሪክ ባህሪያቱን ይለውጣል። ይህ ዘዴ ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎችን በማምረት እና በብረት ማጠናቀቅ ላይ እንዲሁም በቁሳቁስ ሳይንስ ምርምር ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል. አካላት ካቆሙ እና በውስጡ ከቆዩ የፕላቱን ንጥረ ነገር ስብጥር ሊለውጡ ይችላሉ። ion implantation ደግሞ አተሞች ከፍተኛ ኃይል ላይ ዒላማ ጋር ሲጋጩ ጊዜ ኬሚካላዊ እና አካላዊ ለውጦች ያስከትላል. የጠፍጣፋው ክሪስታል አወቃቀሩ በሃይል ግጭት ምክንያት ሊበላሽ አልፎ ተርፎም ሊወድም ይችላል፣ እና በቂ ሃይል ያላቸው (10MV) ቅንጣቶች የኑክሌር ሽግግርን ሊያስከትሉ ይችላሉ።

አጠቃላይ የ ion implantation መርህ

መሣሪያዎች ብዙውን ጊዜ የሚፈለገውን ንጥረ ነገር አተሞች የሚፈጠሩበትን ምንጭ፣ በኤሌክትሮስታቲካዊ ወደ ከፍተኛ የሚጣደፉበት ማፍጠኛ ነው።ጉልበት, እና የዒላማ ክፍሎች ከዒላማው ጋር የሚጋጩበት, ይህም ቁሳቁስ ነው. ስለዚህ, ይህ ሂደት ልዩ የሆነ የጨረር ጨረር ነው. እያንዳንዱ ion አብዛኛውን ጊዜ ነጠላ አቶም ወይም ሞለኪውል ነው, እና ስለዚህ ትክክለኛው የቁስ መጠን ወደ ዒላማው ውስጥ የተተከለው የ ion current የጊዜ አካል ነው. ይህ ቁጥር መጠኑ ይባላል. በመትከል የሚቀርቡት ሞገዶች ብዙውን ጊዜ ትንሽ (ማይክሮአምፕስ) ናቸው ስለዚህም በተመጣጣኝ ጊዜ ውስጥ ሊተከሉ የሚችሉት መጠን አነስተኛ ነው. ስለዚህ፣ ion implantation የሚፈለገው የኬሚካላዊ ለውጦች ቁጥር አነስተኛ በሚሆንበት ጊዜ ጥቅም ላይ ይውላል።

የተለመደ ion ኢነርጂዎች ከ10 እስከ 500 keV (1600 እስከ 80000 aJ) ይደርሳል። Ion implantation ከ 1 እስከ 10 keV (160 እስከ 1600 aJ) ባለው ክልል ውስጥ በአነስተኛ ሃይል መጠቀም ይቻላል ነገር ግን መግባቱ ጥቂት ናኖሜትሮች ወይም ከዚያ ያነሰ ነው። ከዚህ በታች ያለው ኃይል በዒላማው ላይ በጣም ትንሽ ጉዳት ያስከትላል እና በ ion beam deposition ስያሜ ስር ይወድቃል። እና ከፍተኛ ኢነርጂዎችን መጠቀምም ይቻላል፡ 5 ሜቮ (800,000 aJ) አቅም ያላቸው ማፍጠኛዎች የተለመዱ ናቸው። ይሁን እንጂ ብዙውን ጊዜ በዒላማው ላይ ብዙ መዋቅራዊ ጉዳቶች አሉ, እና ጥልቀት ስርጭቱ ሰፊ ስለሆነ (Bragg Peak), በዒላማው ላይ በማንኛውም ቦታ ላይ ያለው የተጣራ ለውጥ አነስተኛ ይሆናል.

የአይዮኖች ሃይል፣እንዲሁም የተለያዩ የአተሞች አይነቶች እና የዒላማው ውህድ የንጥቆችን ወደ ጠጣር ዘልቆ ጥልቀት ይወስናሉ። አንድ ሞኖኢነርጂክ ion ጨረር አብዛኛውን ጊዜ ሰፊ ጥልቀት ያለው ስርጭት አለው. አማካይ ዘልቆ ክልል ይባላል. አትበተለመደው ሁኔታ በ 10 ናኖሜትር እና በ 1 ማይክሮሜትር መካከል ይሆናል. ስለሆነም ዝቅተኛ የኢነርጂ ion መትከል በተለይ የኬሚካሉ ወይም የመዋቅር ለውጥ ከታለመው ወለል አጠገብ እንዲሆን በሚፈለግበት ጊዜ ጠቃሚ ነው. ቅንጣቶች በጠንካራው ውስጥ በሚያልፉበት ጊዜ ቀስ በቀስ ጉልበታቸውን ያጣሉ, ሁለቱም ከዒላማ አተሞች ጋር በዘፈቀደ ግጭት (ድንገተኛ የኃይል ማስተላለፊያዎች ምክንያት) እና ከኤሌክትሮን ምህዋር መደራረብ ትንሽ ይቀንሳል, ይህ ቀጣይ ሂደት ነው. በአንድ ዒላማ ውስጥ ያለው የ ion ኢነርጂ ብክነት ስታሊንግ ተብሎ የሚጠራ ሲሆን የሁለትዮሽ ግጭት መጠጋጋትን ion implantation method በመጠቀም ሊቀረጽ ይችላል።

አፋጣኝ ሲስተሞች በአጠቃላይ ወደ መካከለኛ የአሁን፣ ከፍተኛ የአሁን፣ ከፍተኛ ጉልበት እና በጣም ጉልህ በሆነ መጠን ይከፋፈላሉ።

ሁሉም አይነት ion implantation beam ንድፎች የተወሰኑ የጋራ የተግባር ክፍሎችን ይዘዋል:: ምሳሌዎችን ተመልከት። የ ion implantation የመጀመሪያዎቹ አካላዊ እና ፊዚኮ-ኬሚካላዊ መሠረቶች ቅንጣቶችን ለማምረት ምንጭ በመባል የሚታወቁትን መሳሪያዎች ያካትታሉ. ይህ መሳሪያ አተሞችን ወደ ጨረሩ መስመር ለማውጣት እና አብዛኛውን ጊዜ ወደ ማፍጠኛው ዋና ክፍል ለማጓጓዝ የተወሰኑ ዘዴዎችን ለመምረጥ ከተዛባ ኤሌክትሮዶች ጋር በቅርበት የተቆራኘ ነው። የ "ጅምላ" ምርጫ ብዙውን ጊዜ የጅምላ እና የፍጥነት ምርት የተወሰነ ዋጋ ጋር አየኖች ብቻ የሚፈቅደው ቀዳዳዎች ወይም "ማስገቢያ" በማገድ የተገደበ መውጫ መንገድ ጋር መግነጢሳዊ መስክ ክልል በኩል የተመዘዘ አዮን ጨረር ምንባብ ማስያዝ ነው.. የታለመው ገጽ ከ ion beam ዲያሜትር እና የበለጠ ከሆነየተተከለው መጠን በላዩ ላይ በእኩል መጠን ከተሰራጭ ፣ አንዳንድ የጨረር ቅኝት እና የሰሌዳ እንቅስቃሴ ጥምረት ጥቅም ላይ ይውላል። በመጨረሻም ዒላማው የተተከለው ion የተከማቸ ክፍያ ከሚሰበሰብበት በተወሰነ መንገድ ጋር ተያይዟል ስለዚህም የተሰጠው መጠን ያለማቋረጥ እንዲለካ እና ሂደቱ በሚፈለገው ደረጃ እንዲቆም።

መተግበሪያ በሴሚኮንዳክተር ማምረቻ

በቦሮን፣ ፎስፎረስ ወይም አርሴኒክ ዶፒንግ የዚህ ሂደት የተለመደ መተግበሪያ ነው። ሴሚኮንዳክተሮችን ion በመትከል ፣ እያንዳንዱ ዶፓንት አቶም ከተጣራ በኋላ የኃይል መሙያ አገልግሎትን መፍጠር ይችላል። ለ p-type dopant እና n-type ኤሌክትሮን ቀዳዳ መገንባት ይችላሉ. ይህ በአካባቢው የሴሚኮንዳክተሩን እንቅስቃሴ ይለውጣል. ቴክኒኩ ጥቅም ላይ የሚውለው ለምሳሌ የMOSFETን ገደብ ለማስተካከል ነው።

Ion implantation በፎቶቮልታይክ መሳሪያዎች ላይ pn መገናኛን ለማግኘት እንደ ዘዴ የተሰራው በ1970ዎቹ መጨረሻ እና በ1980ዎቹ መጀመሪያ ላይ ሲሆን ይህም በ pulsed electron beam ለፈጣን ማደንዘዣ ጥቅም ላይ ይውላል፣ ምንም እንኳን እስከዛሬ ለገበያ ባይቀርብም።

ሲሊኮን ኢንሱሌተር ላይ

ይህን ቁሳቁስ በኢንሱሌተር (SOI) ከተለመዱት የሲሊኮን ንጥረ ነገሮች ለማምረት ከሚታወቁት ዘዴዎች አንዱ ከፍተኛ መጠን ያለው አየር ወደ ሲሊኮን ኦክሳይድ የሚቀየርበት ሲሞኤክስ (በኦክስጅን ተከላ) ሂደት ነው። ከፍተኛ ሙቀት የማስታረቅ ሂደት።

Mesotaxy

ይህ የእድገት ቃል ነው ክሪስታሎግራፊከዋናው ክሪስታል ወለል በታች ተጓዳኝ ደረጃ። በዚህ ሂደት ionዎች በበቂ ከፍተኛ ሃይል እና መጠን ወደ ቁሳቁሱ ውስጥ ተተክለው ሁለተኛ ደረጃ ንብርብር እንዲፈጠር ይደረጋል, እና የሙቀት መጠኑ ቁጥጥር ይደረግበታል ስለዚህም የታለመው መዋቅር አይጠፋም. የንብርብሩ ክሪስታል አቅጣጫ ከዓላማው ጋር እንዲስማማ ተደርጎ ሊዘጋጅ ይችላል፣ ምንም እንኳን ትክክለኛው የላቲስ ቋሚ በጣም የተለየ ሊሆን ይችላል። ለምሳሌ የኒኬል ionዎችን በሲሊኮን ዋፈር ውስጥ ከተተከሉ በኋላ የሲሊሳይድ ንብርብር ሊበቅል ይችላል ይህም ክሪስታል አቅጣጫው ከሲሊኮን ጋር ይዛመዳል።

የብረት አጨራረስ መተግበሪያ

ናይትሮጅን ወይም ሌሎች አየኖች ወደ መሳሪያ ብረት ዒላማ (እንደ መሰርሰሪያ) ውስጥ ሊተከሉ ይችላሉ። መዋቅራዊ ለውጡ በእቃው ውስጥ የወለል መጨናነቅን ያስከትላል፣ ይህም ስንጥቅ እንዳይሰራጭ ይከላከላል እና በዚህም ስብራትን የበለጠ ይቋቋማል።

የገጽታ አጨራረስ

በአንዳንድ አፕሊኬሽኖች ለምሳሌ ለሰው ሰራሽ አካል እንደ አርቴፊሻል መገጣጠቢያዎች በግጭት ምክንያት ሁለቱንም ኬሚካላዊ ዝገት እና መልበስን የሚቋቋም ኢላማ መኖሩ ይፈለጋል። ion implantation ለበለጠ አስተማማኝ አፈፃፀም የእነዚህን መሳሪያዎች ገጽታ ለመንደፍ ያገለግላል. ልክ እንደ መሳሪያ ብረቶች፣ በ ion implantation ምክንያት የሚፈጠረው የዒላማ ማሻሻያ ስንጥቅ እንዳይሰራጭ ለመከላከል ሁለቱንም የገጽታ መጭመቅ እና በኬሚካል የበለጠ ዝገትን የሚቋቋም ማድረግን ያካትታል።

ሌላመተግበሪያዎች

ኢንፕላንቴሽን የion beams ድብልቅን ለማሳካት ማለትም በበይነገጹ ላይ የተለያዩ ንጥረ ነገሮች አተሞች መቀላቀልን መጠቀም ይቻላል። ይህ የተመረቁ ንጣፎችን ለማግኘት ወይም በማይታዩ ቁሶች መካከል መጣበቅን ለማሻሻል ጠቃሚ ሊሆን ይችላል።

የናኖ ቅንጣቶች መፈጠር

Ion መትከል እንደ ሰንፔር እና ሲሊከን ዳይኦክሳይድ ባሉ ኦክሳይዶች ውስጥ ናኖሚካል ቁሶችን ለማነሳሳት ሊያገለግል ይችላል። አተሞች በዝናብ ወይም በተቀላቀሉ ንጥረ ነገሮች መፈጠር ምክንያት ሁለቱም ion-የተተከለ ኤለመንትን እና ንኡስ ክፍልን ያካተቱ ሊሆኑ ይችላሉ።

Nanoparticles ለማግኘት የሚያገለግሉ የተለመዱ የ ion beam ኃይሎች ከ50 እስከ 150 ኪ.ቮ ክልል ውስጥ ሲሆኑ የ ion fluence ደግሞ ከ10-16 እስከ 10-18 ኪ.ቮ. ተመልከት ከ1 nm እስከ 20 nm መጠኖች ያላቸው እና የተተከሉ ቅንጣቶችን ሊይዙ በሚችሉ ጥንቅሮች፣ ከስር ከስር ጋር የተያያዘ cation ብቻ ያካተቱ የተለያዩ አይነት ቁሶች ሊፈጠሩ ይችላሉ።

እንደ ሰንፔር ያሉ የተበታተኑ የብረት ion ተከላ ናኖፖታቲሎች የያዙ በኤሌክትሪክ ላይ የተመሰረቱ ቁሶች ለኦፕቶኤሌክትሮኒክስ እና ኦፕቲክስ ላልሆኑ ኦፕቲክስ ተስፋ ሰጭ ቁሶች ናቸው።

ችግሮች

እያንዳንዱ ግለሰብ ion በተጽዕኖ ወይም በመሃል ላይ በዒላማው ክሪስታል ላይ ብዙ የነጥብ ጉድለቶችን ይፈጥራል። ክፍት የስራ ቦታዎች በአቶም ያልተያዙ ጥልፍልፍ ነጥቦች ናቸው፡ በዚህ ሁኔታ ion ከተፈለገው አቶም ጋር ይጋጫል ይህም ከፍተኛ መጠን ያለው ሃይል ወደ እሱ እንዲሸጋገር ያደርገዋል።ሴራ. ይህ የታለመው ነገር ራሱ በጠንካራ አካል ውስጥ ተንጠልጣይ ይሆናል እና ተከታታይ ግጭቶችን ያስከትላል። መሃከል የሚከሰቱት እንደዚህ ያሉ ቅንጣቶች በጠንካራ ውስጥ ሲቆሙ ነገር ግን በፍርግርጉ ውስጥ ለመኖር ነፃ ቦታ ሳያገኙ ሲቀሩ ነው። በ ion implantation ወቅት እነዚህ የነጥብ ጉድለቶች ወደሌላ ቦታ ሊሸጋገሩ እና እርስ በእርሳቸው ሊጣመሩ ይችላሉ, ይህም ወደ መበታተን ቀለበቶች እና ሌሎች ችግሮች ይመራሉ.

Amorphization

የክሪስሎግራፊያዊ ጉዳት መጠን ወደ ዒላማው ወለል ሙሉ ለሙሉ ለመሸጋገር በቂ ሊሆን ይችላል ማለትም የማይመስል ጠንካራ መሆን አለበት። በአንዳንድ ሁኔታዎች የዒላማውን ሙሉ ለሙሉ ማዛባት ከፍተኛ ጉድለት ካለው ክሪስታል ይመረጣል: እንዲህ ዓይነቱ ፊልም በጣም የተበላሸ ክሪስታልን ለማጥፋት ከሚያስፈልገው ዝቅተኛ የሙቀት መጠን እንደገና ማደግ ይችላል. በጨረር ለውጦች ምክንያት የከርሰ ምድር አሞርፊዜሽን ሊከሰት ይችላል. ለምሳሌ, yttrium ions ወደ sapphire ሲተክሉ በ 150 keV ጨረር ኃይል እስከ 510-16 Y+/sq. ሴሜ፣ ወደ 110 nm ውፍረት ያለው ከውጨኛው ወለል የሚለካ ቪትሪየስ ንብርብር ይፈጠራል።

ስፕሬይ

አንዳንድ የግጭት ክስተቶች አተሞች ከምድር ላይ እንዲወጡ ያደርጉታል፣ እና በዚህም ion መትከል ቀስ በቀስ ፊቱን ያስወግዳል። ውጤቱ የሚታየው በጣም ትልቅ በሆነ መጠን ብቻ ነው።

Ion ቻናል

የክሪስሎግራፊያዊ መዋቅር ለታለመው ከተተገበረ በተለይም በሴሚኮንዳክተር ንዑሳን ክፍሎች ውስጥ የበለጠ ሲሆንክፍት ነው ፣ ከዚያ የተወሰኑ አቅጣጫዎች ከሌሎቹ በጣም ያነሱ ይቆማሉ። ውጤቱም እንደ ሲሊከን እና ሌሎች የአልማዝ ኪዩቢክ ቁሶች ያሉ በተወሰነ መንገድ ላይ በትክክል የሚንቀሳቀስ ከሆነ የ ion መጠን በጣም ትልቅ ሊሆን ይችላል. ይህ ተፅእኖ ion channeling ይባላል እና ልክ እንደ ሁሉም ተመሳሳይ ውጤቶች ፣ በጣም ቀጥተኛ ያልሆነ ነው ፣ ከትክክለኛው አቅጣጫ ትንሽ ልዩነቶች ጋር በመትከል ጥልቀት ላይ ጉልህ ልዩነቶች አሉ። በዚህ ምክንያት፣ አብዛኛው ከዘንግ ጥቂት ዲግሪ ነው የሚሄደው፣ ጥቃቅን የአሰላለፍ ስህተቶች የበለጠ ሊገመቱ የሚችሉ ውጤቶች ይኖራቸዋል።