Jonimplantation

Jonimplantation  är en metod för att föra in föroreningsatomer (implantat) i ytskiktet av ett material, till exempel en halvledarskiva eller en epitaxiell film genom att bombardera dess yta med en högenergijonstråle ( 10–2000 keV ).

Det används i stor utsträckning vid skapandet av halvledarenheter med hjälp av planteknologin . I denna egenskap används den för att bilda regioner som innehåller donator- eller acceptorföroreningar i det ytnära skiktet av en halvledare för att skapa pn-övergångar och heteroövergångar , såväl som kontakter med låg resistans.

Jonimplantation används också som en metod för att legera metaller för att ändra deras fysikaliska och kemiska egenskaper (ökning i hårdhet, slitstyrka, korrosionsbeständighet, etc.).

Jonimplantation i material av högtemperatursupraledare i familjen ,  en sällsynt jordartsmetall , används för att skapa stiftcentrum som ökar den kritiska strömtätheten.

Hur det fungerar

Huvudkomponenterna i en jonstråleuppsättning är en jonkälla , en jonaccelerator, en magnetisk separator som arbetar på principen om en masspektrograf , ett jonstrålescanningssystem och en kammare i vilken det bestrålade provet finns.

Jonerna i det implanterade materialet accelereras i acceleratorn av det elektrostatiska fältet och bombarderar provet.

Jonerna accelereras till energier på 10-5000 keV . Djupet av penetration av joner i provets tjocklek beror på deras energi och sträcker sig från flera nanometer till flera mikrometer.

Joner med en energi på 1-10 keV orsakar inte förändringar i strukturen hos provet, medan flöden av joner med högre energi avsevärt kan förstöra kristallstrukturen upp till fullständig förstörelse av kristallstrukturen och övergång till ett amorft tillstånd .

Jonimplantationsteknik säkerställer införandet av en given mängd av nästan vilket kemiskt element som helst på ett givet grunt djup, vilket gör det möjligt att skapa en legering av metaller som inte blandas i smält tillstånd, eller att legera ett ämne med ett annat med en koncentration som inte kan uppnås även när höga temperaturer används.

Det är också möjligt att skapa kompositsystem med unika strukturer och egenskaper som skiljer sig väsentligt från egenskaperna hos materialet i huvuddelen.

Införandet av ett implantat i materialets huvudkristallgitter är möjligt utan "observation" av termodynamikens lagar, som bestämmer jämviktsprocesser, till exempel diffusionsprocesser och ömsesidig löslighet.

Jonimplantation leder till en betydande förändring av ytegenskaper på djupet:

Kolliderar med elektronerna och kärnorna på den behandlade ytan förlorar jonerna av legeringsämnet på ett visst djup energi och stannar. Om typen och energin hos jonerna och egenskaperna hos materialet som ska bearbetas är kända, kan jonpenetrationsdjupet (eller medelväglängden) och väglängdsfördelningen beräknas. För jonstrålar med typiska energier upp till 500 keV når räckvidden upp till 1 μm .

På grund av påverkan av ett stort antal faktorer är fördelningsprofilen för det införda ämnet i ytan nära i form av Gaussfördelningen , men i själva verket observeras avvikelser från normalfördelningen, i synnerhet är koncentrationen av implantatet ökat relativt normalfördelningen mot ytan.

Införandet av joner i det bearbetade materialets kristallgitter leder till uppkomsten av defekter i kristallstrukturen. Atomer av det bestrålade ämnet som slås ut ur gitterställena leder till bildandet av vakanser och defekter i kristallstrukturen. Implantatatomerna bildar interstitiella defekter. Helheten av sådana defekter bildar dislokationer och hela dislokationskluster [1] . För att minska koncentrationen av dislokationer efter jonimplantation används glödgning .

Tillämpningar inom elektronikindustrin

Doping av halvledare

Jondopning används i stor utsträckning vid skapandet av LSI- och VLSI-mikrochips. Jämfört med diffusion tillåter det skapandet av dopade skikt med submikrondimensioner längs ytan utan användning av en mask och en dopad skikttjocklek på mindre än 0,1 µm med en hög reproducerbarhet av dopningskoncentrationsprofilen.

Joner av de element som vanligtvis används för att skapa föroreningskonduktivitet, tränger in i en halvledarkristall, upptar positionen för substitutionsatomer i dess gitter och skapar motsvarande typ av konduktivitet. Genom att introducera joner av grupp III och V i en enda kristall av kisel är det möjligt att erhålla en pn-övergång var som helst på ytan och på vilket område som helst av kristallen.

Möjligheten att dopa halvledare med bor , fosfor , arsenik inuti halvledaren, i motsats till diffusionsmetoder för dopning från ytan, är den viktigaste fördelen med jonimplantation. Denna legeringsprocess anses vara en av de renaste legeringsmetoderna. Den implanterade jonen skapar en donator- eller acceptorföroreningsatom i halvledaren , vilket ger halvledaren en elektronisk eller håltyp av konduktivitet.

Det är också möjligt att skapa ett isolerande dielektriskt skikt på kiselytan. I detta fall används syrejonimplantation , implanterade syrejoner oxiderar kisel till kiseldioxid , vilket är en utmärkt isolator. Efter införandet av syrejoner är det nödvändigt att utföra glödgning. Denna process kallas SIMOX ( Separation by Implantation of OXygen  - isolation by implanted oxygen).

Mesotaxi

Mesotaxi är en process som liknar epitaxi . I mesotaxiprocessen sker tillväxten av en heterostruktur, i överensstämmelse med parametrarna för substratets kristallgitter, från ytan in i halvledarskiktet genom att implantera joner och välja önskad temperatur.

Andra användningsområden

För att få fullerener och nanorör fyllda med ledande eller supraledande material kan jonimplantation av partiklar i kolnanostrukturer användas [2] .

Tillämpningar inom metallurgi

Kvävejoner används för att härda ytan på stålskärverktyg ( fräsar , borrar, etc.).

Implantationen av dessa joner förhindrar bildning av sprickor på metallytan och förbättrar stålets korrosions- och friktionsegenskaper. De senare egenskaperna är viktiga inom medicinen vid tillverkning av proteser, inom flygplan och raketvetenskap.

Tillgriper ofta samtidig implantation av joner av olika atomer. Detta är viktigt när det är nödvändigt att skapa vidhäftning mellan material som till sin natur inte fäster bra.

Nu gör tekniken för jonimplantation det möjligt att bearbeta arbetsblad av ångturbiner upp till 1700 mm i storlek [1] .

Detta ökar:

Vid applicering av skyddande beläggningar på turbinblad gjorda av värmebeständiga legeringar uppnås en ökning:

Jonimplantation används också som en av metoderna för att ge en amorf struktur till ytskiktet av en metall [3] .

Vissa tillverkare av jonimplantationsutrustning

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 NPP UAST - Högteknologi - Jonimplantation . Tillträdesdatum: 8 maj 2010. Arkiverad från originalet 6 januari 2011.
  2. ↑ Jonimplantation: nya möjligheter för den välkända metoden Arkivkopia daterad 9 juni 2011 på Wayback Machine  - Izvestiya OrelGTU. 2003. Nr 1-2.
  3. ↑ Pozdnyakov V. A. Fysisk materialvetenskap av nanostrukturerade material. (kapitel Erhålla ett amorft tillstånd från ett fast kristallint tillstånd)

Se även

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk