Ион суулгац: үзэл баримтлал, үйл ажиллагааны зарчим, арга, зорилго, хэрэглээ

2024 Зохиолч: Howard Calhoun | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-17 10:35

Ион суулгац гэдэг нь нэг элементийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг вафельний хатуу гадаргуу руу хурдасгаж, улмаар түүний физик, химийн болон цахилгаан шинж чанарыг өөрчилдөг бага температурт процесс юм. Энэ аргыг хагас дамжуулагч төхөөрөмж үйлдвэрлэх, металл өнгөлгөө, материал судлалын судалгаанд ашигладаг. Бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь зогсож, дотор нь үлдсэн тохиолдолд хавтангийн элементийн найрлагыг өөрчилж болно. Ионы суулгац нь атомууд өндөр энергитэй байтай мөргөлдөхөд химийн болон физикийн өөрчлөлтийг үүсгэдэг. Хавтангийн талст бүтэц нь энергийн цуваа мөргөлдөөний улмаас гэмтэх эсвэл бүр устах боломжтой ба хангалттай өндөр энергитэй (10 МэВ) бөөмс нь цөмийн хувирал үүсгэж болзошгүй.

Ион суулгацын ерөнхий зарчим

Төхөөрөмж нь ихэвчлэн хүссэн элементийн атомууд үүсдэг эх үүсвэр, тэдгээрийг электростатикаар өндөр хурдасгадаг хурдасгуураас бүрддэг.эрчим хүч, зорилтот тасалгаанууд нь материал болох байтай мөргөлддөг. Тиймээс энэ үйл явц нь бөөмийн цацрагийн онцгой тохиолдол юм. Ион бүр нь ихэвчлэн нэг атом эсвэл молекул байдаг тул зорилтот хэсэгт суулгасан материалын бодит хэмжээ нь ионы гүйдлийн цаг хугацааны интеграл юм. Энэ тоог тун гэж нэрлэдэг. Суулгацаас нийлүүлдэг гүйдэл нь ихэвчлэн бага (микроампер) байдаг тул боломжийн хугацаанд суулгаж болох хэмжээ бага байдаг. Иймд ион суулгацыг шаардлагатай химийн өөрчлөлтийн тоо бага байгаа тохиолдолд хэрэглэнэ.

Ионы ердийн энерги нь 10-аас 500 кеВ (1600-аас 80000 aJ) хооронд хэлбэлздэг. Ион суулгацыг 1-ээс 10 кВ (160-аас 1600 аЖ) хүртэлх бага энергид ашиглаж болох боловч нэвтрэлт нь хэдхэн нанометр буюу түүнээс бага байна. Үүнээс доогуур хүч нь зорилтот хэсэгт маш бага хохирол учруулдаг бөгөөд ионы цацрагийн хуримтлал гэсэн ангилалд багтдаг. Мөн илүү өндөр эрчим хүчийг ашиглаж болно: 5 МеВ (800,000 аЖ) хурдасгагч нь түгээмэл байдаг. Гэсэн хэдий ч байндаа бүтцийн гэмтэл ихтэй байдаг ба гүний тархалт өргөн (Браггийн оргил) учир байны аль ч цэгийн найрлага дахь цэвэр өөрчлөлт бага байх болно.

Ионуудын энерги, түүнчлэн янз бүрийн төрлийн атомууд болон зорилтот бүтэц нь бөөмсийн хатуу биет рүү нэвтрэх гүнийг тодорхойлдог. Моноэнергетик ионы цацраг нь ихэвчлэн өргөн гүн тархалттай байдаг. Дундаж нэвтрэлтийг хүрээ гэж нэрлэдэг. ATердийн нөхцөлд 10 нанометрээс 1 микрометрийн хооронд байх болно. Тиймээс бага энергитэй ионы суулгац нь химийн болон бүтцийн өөрчлөлт нь зорилтот гадаргуутай ойролцоо байх шаардлагатай тохиолдолд ялангуяа ашигтай байдаг. Бөөмс нь зорилтот атомуудтай санамсаргүй мөргөлдөх (энергийн огцом шилжилтийг үүсгэдэг) болон электрон орбиталуудын давхцалаас бага зэрэг удаашрах зэрэг тасралтгүй үйл явцын улмаас хатуу биетээр дамжин өнгөрөхдөө эрчим хүчээ аажмаар алддаг. Зорилтот дахь ионуудын энергийн алдагдлыг зогсонги гэж нэрлэдэг бөгөөд хоёртын мөргөлдөөний ойролцоолсон ион суулгах аргыг ашиглан загварчилж болно.

Хургасгуурын системийг ерөнхийд нь дунд гүйдэлтэй, их гүйдэлтэй, их энергитэй, маш чухал тунгаар ангилдаг.

Ион суулгацын цацрагийн бүх төрлийн загвар нь тодорхой нийтлэг бүлгүүдийг функциональ бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг агуулдаг. Жишээнүүдийг авч үзье. Ион суулгацын физик болон физик-химийн анхны суурь нь бөөмс үүсгэх эх үүсвэр гэгддэг төхөөрөмж юм. Энэ төхөөрөмж нь цацрагийн шугамд атомуудыг гаргаж авах зориулалттай хэвийсэн электродуудтай нягт холбоотой бөгөөд ихэвчлэн хурдасгуурын үндсэн хэсэг рүү тээвэрлэх тодорхой горимыг сонгох зарим хэрэгсэлтэй нягт холбоотой байдаг. "Масс"-ыг сонгохдоо олборлосон ионы туяа нь зөвхөн масс ба хурдны бүтээгдэхүүний тодорхой утгатай ионуудыг нэвтрүүлэхийг зөвшөөрдөг цооног эсвэл "хоорхой"-оор хязгаарлагдмал гарах гарц бүхий соронзон орны бүсээр дамжин өнгөрөх замаар ихэвчлэн дагалддаг.. Хэрэв зорилтот гадаргуу нь ионы цацрагийн диаметрээс том бол бахэрэв суулгасан тунг түүн дээр жигд хуваарилсан бол цацраг сканнердах болон хавтангийн хөдөлгөөнийг хослуулан хэрэглэнэ. Эцэст нь, зорилтот суулгац суулгасан ионуудын хуримтлагдсан цэнэгийг цуглуулах ямар нэгэн аргатай холбогдсон бөгөөд ингэснээр илгээсэн тунг тасралтгүй хэмжиж, үйл явцыг хүссэн түвшиндээ зогсооно.

Хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлд ашиглах

Бор, фосфор эсвэл хүнцэлтэй допинг хийх нь энэ процессын нийтлэг хэрэглээ юм. Хагас дамжуулагчийг ионы суулгацын үед нэмэлт бодис бүр нь зөөлрүүлсний дараа цэнэгийн тээвэрлэгчийг үүсгэж чаддаг. Та p төрлийн нэмэлт бодис болон n төрлийн электроны нүхийг барьж болно. Энэ нь түүний ойр орчмын хагас дамжуулагчийн дамжуулалтыг өөрчилдөг. Энэ аргыг жишээлбэл, MOSFET-ийн босгыг тохируулахад ашигладаг.

Ион суулгацыг 1970-аад оны сүүл ба 1980-аад оны эхээр фотоволтайк төхөөрөмжид pn уулзварыг олж авах арга болгон хөгжүүлж, импульсийн электрон туяаг хурдан зөөлрүүлэх зорилгоор ашигласан боловч өнөөг хүртэл худалдаанд гаргаагүй байна.

Тусгаарлагч дээрх цахиур

Энэ материалыг ердийн цахиурын субстратаас тусгаарлагч (SOI) субстрат дээр үйлдвэрлэх алдартай аргуудын нэг бол SIMOX (хүчилтөрөгч суулгацаар ялгах) процесс бөгөөд өндөр тунгаар агаарыг цахиурын исэл болгон хувиргадаг. өндөр температурт зөөлрүүлэх процесс.

Мезотакси

Энэ бол талст зүйн өсөлтийн нэр томъёо юмүндсэн болорын гадаргуу дор давхцах үе шат. Энэ процесст ионуудыг хангалттай өндөр энерги, тунгаар материалд суулгаж, хоёр дахь фазын давхаргыг бий болгож, зорилтот бүтцийг устгахгүйн тулд температурыг хянадаг. Торны тогтмол тогтмол нь маш өөр байж болох ч давхаргын болор чиглэлийг зорилгодоо нийцүүлэн боловсруулж болно. Жишээлбэл, никель ионыг цахиурын хавтанд суулгасны дараа болорын чиглэл нь цахиурынхтай таарч байхаар цахиурын давхаргыг ургуулж болно.

Металл өнгөлгөөний хэрэглүүр

Азот эсвэл бусад ионыг багажны ган зорилтот (өрөмдлөг гэх мэт) суулгаж болно. Бүтцийн өөрчлөлт нь материалын гадаргуугийн шахалтыг өдөөдөг бөгөөд энэ нь хагарал тархахаас сэргийлж, улмаар хугарахад илүү тэсвэртэй болгодог.

Гадаргуу

Зарим хэрэглээнд, жишээлбэл хиймэл үе гэх мэт протезийн хувьд химийн зэврэлт болон үрэлтийн улмаас элэгдэлд тэсвэртэй байх нь зүйтэй. Ион суулгацыг илүү найдвартай ажиллагаатай болгохын тулд ийм төхөөрөмжүүдийн гадаргууг төлөвлөхөд ашигладаг. Багажны гангийн нэгэн адил ион суулгацаас үүссэн зорилтот өөрчлөлт нь ан цав тархахаас сэргийлж гадаргууг шахах, зэврэлтэнд химийн хувьд илүү тэсвэртэй болгох хайлш зэргийг багтаадаг.

Бусадпрограм

Суулгацыг ионы цацрагийг холих, өөрөөр хэлбэл интерфэйс дээр өөр өөр элементийн атомуудыг холихын тулд ашиглаж болно. Энэ нь жигд гадаргуутай болох эсвэл холилдохгүй материалын давхаргын хооронд наалдацыг сайжруулахад тустай.

Нано бөөмс үүсэх

Ион суулгацыг индранил, цахиурын давхар исэл зэрэг исэлд нано хэмжээст материалыг өдөөхөд ашиглаж болно. Хур тунадасны үр дүнд эсвэл ион суулгасан элемент болон субстратыг агуулсан холимог бодисууд үүссэний үр дүнд атомууд үүсч болно.

Нано бөөмсийг олж авахад ашигладаг ердийн ионы цацрагийн энерги нь 50-150 кВ, ионы урсгал нь 10-16-аас 10-18 кВ-ын хооронд байдаг. 1 нм-ээс 20 нм хүртэлх хэмжээтэй, суулгацтай хэсгүүдийг агуулсан найрлагатай, зөвхөн субстраттай холбогдсон катионоос бүрдэх нэгдэл бүхий олон төрлийн материалыг үүсгэж болно.

Металлын ион суулгацын тархсан нано хэсгүүдийг агуулсан индранил зэрэг диэлектрикт суурилсан материалууд нь оптоэлектроник болон шугаман бус оптикийн ирээдүйтэй материал юм.

Асуудал

Ион бүр нь цохилт эсвэл завсрын үед зорилтот талст дотор олон цэгийн гажиг үүсгэдэг. Хоосон орон зай нь атом эзэлдэггүй торны цэгүүд юм: энэ тохиолдолд ион нь зорилтот атомтай мөргөлддөг бөгөөд энэ нь түүнд их хэмжээний энерги шилжихэд хүргэдэг бөгөөд ингэснээр тэр атомыг орхидог.талбай. Энэ зорилтот объект нь өөрөө хатуу биед сум болж, дараалсан мөргөлдөөнийг үүсгэж болно. Ийм бөөмс нь хатуу биет дотор зогсох боловч торонд амьдрах чөлөөт орон зай олдохгүй үед завсар үүсдэг. Ион суулгацын үеийн эдгээр цэгийн согогууд нь хоорондоо шилжиж, бөөгнөрөх нь мултрах гогцоо болон бусад асуудлуудад хүргэдэг.

Аморфизаци

Кристаллографийн гэмтлийн хэмжээ нь зорилтот гадаргууг бүрэн шилжүүлэхэд хангалттай байж болно, өөрөөр хэлбэл аморф хатуу биет болох ёстой. Зарим тохиолдолд өндөр согогтой талстаас зорилтот хэсгийг бүрэн аморфизаци хийх нь илүү тохиромжтой байдаг: ийм хальс нь ноцтой гэмтсэн болорыг цэвэрлэхэд шаардагдахаас бага температурт дахин ургаж болно. Цацрагийн өөрчлөлтийн үр дүнд субстратын аморфизаци үүсч болно. Жишээлбэл, 510-16 Y+/sq-ийн флюц хүртэл 150 кВ-ын цацрагийн энергитэй индранил руу иттри ионыг суулгах үед. см, гаднах гадаргуугаас хэмжсэн ойролцоогоор 110 нм зузаантай шилэн давхарга үүснэ.

Шүрших

Мөргөлдөөний зарим үйл явдлууд нь атомуудыг гадаргуугаас гадагшлуулахад хүргэдэг бөгөөд ингэснээр ион суулгац нь гадаргууг аажмаар арилгана. Үр нөлөө нь зөвхөн маш их тунгаар хэрэглэхэд мэдэгдэхүйц юм.

Ионы суваг

Хэрэв талстографийн бүтцийг зорилтот хэсэгт хэрэглэвэл, ялангуяа хагас дамжуулагч субстрат дээр илүү их байдаг.нээлттэй бол тодорхой чиглэлүүд бусдаас хамаагүй бага зогсдог. Үүний үр дүнд ионы хүрээ нь цахиур болон бусад алмаазан куб материалууд гэх мэт тодорхой зам дагуу яг хөдөлж байвал илүү том байж болно. Энэ нөлөөг ионы суваг гэж нэрлэдэг бөгөөд ижил төстэй бүх эффектүүдийн нэгэн адил маш шугаман бус бөгөөд хамгийн тохиромжтой чиглэлээс бага зэрэг хазайснаар суулгацын гүнд мэдэгдэхүйц ялгаатай байдаг. Энэ шалтгааны улмаас ихэнх нь тэнхлэгээс хэдхэн градусын хазайлттай ажилладаг бөгөөд жижиг зэрэгцүүлэх алдаа нь урьдчилан таамаглахуйц нөлөө үзүүлэх болно.