Ionimplantation

Ionimplantation  er en metode til at indføre urenhedsatomer (implantat) i overfladelaget af et materiale, for eksempel en halvlederwafer eller en epitaksial film ved at bombardere dens overflade med en højenergi- ionstråle ( 10-2000 keV ).

Det er meget udbredt til fremstilling af halvlederenheder ved hjælp af planteknologien . I denne egenskab bruges den til at danne områder, der indeholder donor- eller acceptorurenheder i det nære overfladelag af en halvleder for at skabe pn-forbindelser og heteroforbindelser , såvel som kontakter med lav modstand.

Ionimplantation bruges også som en metode til legering af metaller for at ændre deres fysiske og kemiske egenskaber (stigning i hårdhed, slidstyrke, korrosionsbestandighed osv.).

Ionimplantation i materialer af højtemperatur-superledere af familien ,  et sjældent jordmetal , bruges til at skabe pinningscentre, der øger den kritiske strømtæthed.

Sådan virker det

Hovedkomponenterne i en ionstråleopsætning er en ionkilde , en ionaccelerator, en magnetisk separator , der fungerer efter princippet om en massespektrograf , et ionstrålescanningssystem og et kammer, hvori den bestrålede prøve er placeret.

Ionerne af det implanterede materiale accelereres i acceleratoren af ​​det elektrostatiske felt og bombarderer prøven.

Ionerne accelereres til energier på 10-5000 keV . Dybden af ​​penetration af ioner i prøvens tykkelse afhænger af deres energi og varierer fra flere nanometer til flere mikrometer.

Ioner med en energi på 1-10 keV forårsager ikke ændringer i strukturen af ​​prøven, mens strømme af ioner med højere energi betydeligt kan ødelægge krystalstrukturen op til fuldstændig ødelæggelse af krystalstrukturen og overgang til en amorf tilstand .

Ionimplantationsteknologi sikrer indførelsen af ​​en given mængde af næsten ethvert kemisk grundstof i en given lav dybde, hvilket gør det muligt at skabe en legering af metaller, der ikke blandes i smeltet tilstand, eller at legere et stof med et andet med en koncentration som ikke kan opnås, selv ved høje temperaturer.

Det er også muligt at skabe sammensatte systemer med unikke strukturer og egenskaber, der er væsentligt forskellige fra egenskaberne af materialet i hoveddelen.

Indførelsen af ​​et implantat i materialets hovedkrystalgitter er mulig uden "overholdelse" af termodynamikkens love, som bestemmer ligevægtsprocesser, for eksempel diffusionsprocesserne og gensidig opløselighed.

Ionimplantation fører til en betydelig ændring i overfladeegenskaber i dybden:

Ved at kollidere med elektronerne og kernerne på den behandlede overflade mister ionerne af legeringsstoffet i en vis dybde energi og stopper. Hvis typen og energien af ​​ionerne og egenskaberne af det materiale, der skal bearbejdes, er kendt, så kan iongennemtrængningsdybden (eller middelvejlængden) og vejlængdefordelingen beregnes. For ionstråler med typiske energier op til 500 keV når rækkevidden op til 1 μm .

På grund af påvirkningen af ​​et stort antal faktorer er fordelingsprofilen af ​​det indførte stof i overfladen tæt på Gauss-fordelingen , men der observeres faktisk afvigelser fra normalfordelingen, især koncentrationen af ​​implantatet er øget i forhold til normalfordelingen mod overfladen.

Indførelsen af ​​ioner i krystalgitteret af det forarbejdede materiale fører til udseendet af defekter i krystalstrukturen. Atomer af det bestrålede stof, der slås ud af gitterstederne, fører til dannelsen af ​​ledige stillinger og defekter i krystalstrukturen. Implantatatomerne danner interstitielle defekter. Helheden af ​​sådanne defekter danner dislokationer og hele dislokationsklynger [1] . For at reducere koncentrationen af ​​dislokationer efter ionimplantation anvendes annealing .

Applikationer i elektronikindustrien

Doping af halvledere

Iondoping er meget udbredt til fremstilling af LSI- og VLSI-mikrochips. Sammenlignet med diffusion tillader det skabelsen af ​​doterede lag med submikrondimensioner langs overfladen uden brug af en maske og en doteret lagtykkelse på mindre end 0,1 µm med en høj reproducerbarhed af dopingkoncentrationsprofilen.

Ioner af de elementer, der normalt bruges til at skabe urenhedsledningsevne, trænge ind i en halvlederkrystal, indtager positionen af ​​substitutionsatomer i dets gitter og skaber den tilsvarende type ledningsevne. Ved at indføre gruppe III- og V-ioner i en enkelt krystal af silicium er det muligt at opnå en pn-forbindelse hvor som helst på overfladen og på ethvert område af krystallen.

Muligheden for at dope halvledere med bor , fosfor , arsen inde i halvlederen, i modsætning til diffusionsmetoder til doping fra overfladen, er den vigtigste fordel ved ionimplantation. Denne legeringsproces anses for at være en af ​​de reneste legeringsmetoder. Den implanterede ion skaber et donor- eller acceptorurenhedsatom i halvlederen , hvilket giver halvlederen en elektronisk eller hul-type ledningsevne.

Det er også muligt at skabe et isolerende dielektrisk lag på siliciumoverfladen. I dette tilfælde anvendes oxygenionimplantation, implanterede oxygenioner oxiderer silicium til siliciumdioxid , som er en fremragende isolator. Efter indførelsen af ​​oxygenioner er det nødvendigt at udføre udglødning. Denne proces kaldes SIMOX ( Separation by Implantation of OXygen  - isolation by implanted oxygen).

Mesotaxy

Mesotaxi er en proces, der ligner epitaksi . I processen med mesotaxi sker væksten af ​​en heterostruktur, i overensstemmelse med parametrene for substratets krystalgitter, fra overfladen ind i halvlederlaget ved at implantere ioner og vælge den ønskede temperatur.

Andre anvendelser

For at opnå fullerener og nanorør fyldt med ledende eller superledende materiale kan ionimplantation af partikler i kulstofnanostrukturer anvendes [2] .

Anvendelser i metallurgi

Nitrogenioner bruges til at hærde overfladen af ​​stålskæreværktøjer ( fræsere , bor osv.).

Implantationen af ​​disse ioner forhindrer dannelsen af ​​revner på metaloverfladen og forbedrer stålets korrosions- og friktionsegenskaber. Sidstnævnte egenskaber er vigtige i medicin ved fremstilling af proteser, i fly- og raketvidenskab.

Tyder ofte til samtidig implantation af ioner af forskellige atomer. Dette er vigtigt, når det er nødvendigt at skabe vedhæftning mellem materialer, der i sagens natur ikke hæfter godt.

Nu gør teknologien til ionimplantation det muligt at behandle arbejdsvinger af dampturbiner op til 1700 mm i størrelse [1] .

Dette øger:

Ved påføring af beskyttende belægninger på turbineblade lavet af varmebestandige legeringer opnås en stigning:

Ionimplantation bruges også som en af ​​metoderne til at bibringe en amorf struktur til overfladelaget af et metal [3] .

Nogle producenter af ionimplantationsudstyr

Noter

  1. ↑ 1 2 NPP UAST - Højteknologier - Ionimplantation . Dato for adgang: 8. maj 2010. Arkiveret fra originalen 6. januar 2011.
  2. ↑ Ionimplantation: nye muligheder for den velkendte metode Arkivkopi dateret 9. juni 2011 på Wayback Machine  - Izvestiya OrelGTU. 2003. nr. 1-2.
  3. ↑ Pozdnyakov V. A. Fysisk materialevidenskab om nanostrukturerede materialer. (kapitel At opnå en amorf tilstand fra en fast krystallinsk tilstand)

Se også

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier