Ioni-istutus

Ioni-implantaatio on menetelmä, jolla epäpuhtausatomeja (implanttia) viedään materiaalin, esimerkiksi puolijohdekiekon tai epitaksiaalikalvon pintakerrokseen pommittamalla sen pintaa korkeaenergisella ionisäteellä ( 10–2000 keV ).

Sitä käytetään laajalti puolijohdelaitteiden luomisessa tasotekniikkaa käyttäen . Tässä ominaisuudessa sitä käytetään muodostamaan donori- tai akseptoriepäpuhtauksia sisältäviä alueita puolijohteen pinnan läheiseen kerrokseen pn-liitosten ja heteroliitosten sekä pieniresistanssisten koskettimien luomiseksi.

Ioni-istutusta käytetään myös metallien seostusmenetelmänä niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien muuttamiseen (kovuuden kasvu, kulutuskestävyys, korroosionkestävyys jne.).

Ioni - istutusta korkean lämpötilan suprajohteiden materiaaleihin , harvinaiseen maametalliin , käytetään luomaan kiinnityskeskuksia, jotka lisäävät kriittistä virrantiheyttä. ${\displaystyle {\ce {R_{x}Ba_{2}Cu_{3}O_{x))))$ ${\ce {R}}$

Kuinka se toimii

Ionisädejärjestelmän pääkomponentit ovat ionilähde , ionikiihdytin, massaspektrografin periaatteella toimiva magneettierotin , ionisuihkupyyhkäisyjärjestelmä ja kammio, jossa säteilytetty näyte sijaitsee.

Implantoidun materiaalin ionit kiihdytetään kiihdyttimessä sähköstaattisen kentän vaikutuksesta ja pommittavat näytettä.

Ionit kiihtyvät 10-5000 keV :n energioihin . Ionien tunkeutumissyvyys näytteen paksuuteen riippuu niiden energiasta ja vaihtelee useista nanometreistä useisiin mikrometreihin.

Ionit, joiden energia on 1-10 keV , eivät aiheuta muutoksia näytteen rakenteeseen, kun taas suuremman energian omaavien ionien virtaukset voivat merkittävästi tuhota kiderakenteen kiderakenteen täydelliseen tuhoutumiseen ja siirtymiseen amorfiseen tilaan .

Ioni-istutustekniikka varmistaa tietyn määrän lähes mitä tahansa kemiallista alkuainetta syöttämisen tietylle matalalle syvyydelle, mikä mahdollistaa metalliseoksen luomisen, joka ei sekoitu sulassa tilassa, tai aineen seostamisen toiseen pitoisuudella jota ei voida saavuttaa edes korkeissa lämpötiloissa.

On myös mahdollista luoda komposiittijärjestelmiä, joilla on ainutlaatuiset rakenteet ja ominaisuudet, jotka eroavat merkittävästi pääosan materiaalin ominaisuuksista.

Implanttien vieminen materiaalin pääkidehilaan on mahdollista "noudattamatta" termodynamiikan lakeja, jotka määräävät tasapainoprosesseja, esimerkiksi diffuusio- ja keskinäisen liukoisuuden prosessit.

Ioni-istutus johtaa merkittävään muutokseen pinnan ominaisuuksissa syvyydessä:

kerros, jonka kemiallinen koostumus on muuttunut 1–9 µm asti ;
kerros, jonka dislokaatiorakenne on modifioitu 100 µm asti .

Törmääessään käsitellyn pinnan elektronien ja ytimien kanssa seosaineen ionit menettävät tietyllä syvyydellä energiaa ja pysähtyvät. Jos ionien tyyppi ja energia sekä käsiteltävän materiaalin ominaisuudet tunnetaan, voidaan laskea ionin tunkeutumissyvyys (tai keskimääräinen polun pituus) ja polun pituusjakauma. Ionisäteillä, joiden tyypillinen energia on enintään 500 keV , kantama on jopa 1 μm .

Monien tekijöiden vaikutuksesta johtuen pintaan syötetyn aineen jakautumisprofiili on muodoltaan lähellä Gaussin jakaumaa , mutta todellisuudessa havaitaan poikkeamia normaalijakaumasta, erityisesti implantin pitoisuus on lisääntynyt suhteessa normaalijakaumaan pintaa kohti.

Ionien joutuminen käsitellyn materiaalin kidehilaan johtaa vikojen ilmaantumiseen kiderakenteessa. Säteilytetyn aineen atomit, jotka on lyöty ulos hilapaikoista, johtavat tyhjien tilojen ja vikojen muodostumiseen kiderakenteessa. Implanttiatomit muodostavat interstitiaalisia vikoja. Tällaisten vikojen kokonaisuus muodostaa dislokaatioita ja kokonaisia dislokaatioklustereita [1] . Ioni-istutuksen jälkeisten dislokaatioiden pitoisuuden vähentämiseksi käytetään hehkutusta .

Sovellukset elektroniikkateollisuudessa

Puolijohteiden doping

Ionidopingia käytetään laajalti LSI- ja VLSI-mikrosirujen luomisessa. Diffuusioon verrattuna se mahdollistaa submikronin mittaisten seostettujen kerrosten luomisen pintaa pitkin ilman maskia ja alle 0,1 µm :n seostettua kerrosta, ja seostuspitoisuusprofiilin toistettavuus on hyvä.

Epäpuhtauksien johtavuuden luomiseen tavallisesti käytettyjen alkuaineiden ionit, jotka tunkeutuvat puolijohdekiteeseen, ottavat substituutioatomien aseman sen hilassa ja luovat vastaavan johtavuuden. Tuomalla ryhmän III ja V ioneja yhteen piikiteeseen on mahdollista saada pn-liitos mihin tahansa kiteen pinnalle ja mille tahansa alueelle.

Mahdollisuus seostaa puolijohteita boorilla , fosforilla ja arseenilla puolijohteen sisällä, toisin kuin diffuusiomenetelmissä, kun dooppaus tehdään pinnasta, on ioni-istuttamisen tärkein etu. Tätä seostusprosessia pidetään yhtenä puhtaimmista seostusmenetelmistä. Implantoitu ioni luo luovuttaja- tai akseptoriepäpuhtausatomin puolijohteeseen , mikä antaa puolijohteelle elektronisen tai reiän johtavuuden.

Piin pinnalle on myös mahdollista muodostaa eristävä dielektrinen kerros. Tässä tapauksessa käytetään happi-ioni-istutusta, istutetut happi - ionit hapettavat piin piidioksidiksi , joka on erinomainen eriste. Happi-ionien lisäämisen jälkeen on suoritettava hehkutus. Tätä prosessia kutsutaan SIMOXiksi ( Separation by IMplantation of OXygen - isolation by implanted hapen).

Mesotaksi

Mesotaksia on samanlainen prosessi kuin epitaksia . Mesotaksiprosessissa heterorakenteen kasvu, joka on yhdenmukainen substraatin kidehilan parametrien kanssa, tapahtuu pinnasta puolijohdekerrokseen istuttamalla ioneja ja valitsemalla haluttu lämpötila.

Muut käyttötarkoitukset

Fullereenien ja johtavalla tai suprajohtavalla materiaalilla täytettyjen nanoputkien saamiseksi voidaan käyttää hiukkasten ioni-istutusta hiilinanorakenteisiin [2] .

Sovellukset metallurgiassa

Typpi-ioneja käytetään teräksen leikkaustyökalujen ( jyrsimet , porat jne.) pinnan kovettamiseen.

Näiden ionien istuttaminen estää halkeamien muodostumisen metallipinnalle ja parantaa teräksen korroosio- ja kitkaominaisuuksia. Jälkimmäiset ominaisuudet ovat tärkeitä lääketieteessä proteesien valmistuksessa, lentokone- ja rakettitieteessä.

Usein turvaudutaan eri atomien ionien samanaikaiseen istuttamiseen. Tämä on tärkeää, kun on tarpeen luoda tarttuvuus materiaalien välille, jotka luonteeltaan eivät tartu hyvin.

Nyt ioni-istutustekniikka mahdollistaa jopa 1700 mm :n kokoisten höyryturbiinien työsiipien käsittelyn [1] .

Tämä lisää:

väsymisraja 7-25 % ;
kestävyys yli 20 kertaa ;
myöhempien pinnoitteiden tarttuvuus.

Levitettäessä suojapinnoitteita turbiinien siipille, jotka on valmistettu lämmönkestävistä seoksista , saavutetaan lisäys:

lämmönkestävyys 2,5 kertaa ;
korroosionkestävyys 1,9 kertaa ;
pitkäaikainen vahvuus 1,6 kertaa ;
väsymiskestävyys 1,2 kertaa .

Ioni-istutusta käytetään myös yhtenä menetelmistä amorfisen rakenteen aikaansaamiseksi metallin pintakerrokseen [3] .

Jotkut ioni-implantaatiolaitteiden valmistajat

Muistiinpanot

↑ 1 2 NPP UAST - Huipputeknologiat - Ioni-istutus . Käyttöpäivä: 8. toukokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 6. tammikuuta 2011. (määrätön)
↑ Ioni-istutus: uudet mahdollisuudet tunnetulle menetelmälle . Arkistokopio päivätty 9. kesäkuuta 2011 Wayback Machinessa - Izvestiya OrelGTU. 2003. Nro 1-2.
↑ Pozdnyakov V. A. Nanorakenteisten materiaalien fysikaalinen materiaalitiede. (luku Amorfisen tilan saaminen kiinteästä kiteisestä tilasta)

Katso myös

ionilähde
Neutronitransmutaatiodoping
Fotoresist
Tarkennettava ionisäde
Plasmaimmersio-ioni-istutus
Ionisädeanalyysi

Kirjallisuus

Rissel H., Ruge I. Ioni-istutus. - M .: Nauka, 1983.
Meyer J., Erickson L., Davis J. Puolijohteiden (pii ja germanium) ioniseoppaus. - M .: Mir, 1973. - 296 s.
Komarov F. F., Novikov A. P., Burenkov A. F. Ioni-istutus. - Minsk: Universitetskaya, 1994. - 303 s. - ISBN 985-09-0036-9 .
Abroyan I. A., Andronov A. N., Titov A. I. Elektroniikka- ja ionitekniikan fyysiset perusteet. - M . : Higher School, 1984. - 320 s.
Zorin E. I., Pavlov P. V., Tetelbaum D. I. Puolijohteiden ionidoping. - M . : Energia, 1975. - 128 s.
Pranevičius L., Dudonis J. Kiinteiden aineiden ominaisuuksien muuttaminen ionisuihkuilla. - Vilna: Mokslas, 1980. - 242 s.
Gabovich MD Plasma-ionien lähteiden fysiikka ja tekniikka. - M .: Atomizdat, 1972. - 304 s.
Ionidopingtekniikka / Toim. S. Namba / Käännetty japanista. - M . : Sov. radio, 1974. - 160 s.
Valiev, K. A.; Rakov, A. V. Submikronin litografian fyysiset perusteet mikroelektroniikassa. - M .: Nauka, 1984. - 352 s.
Popov VF Ionisädeasennukset. - L .: Energoizdat, 1981. - 136 s.
Broday I., Merey J. Mikroteknologian fyysiset perusteet. - M .: Mir, 1985. - 496 s. — ISBN 200002876210.
Popov VF, Gorin Yu. N. Elektroni-ionitekniikan prosessit ja asennukset. - M . : Korkeakoulu, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .
Vinogradov MI, Maishev Yu. P. Tyhjiöprosessit ja laitteet ioni- ja elektronisuihkuteknologiaan. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .

Linkit

Ioni-istutus - Nanoteknologian termien sanakirja
Ioni-istutus - liittovaltion Internet-portaali " Nanoteknologiat ja nanomateriaalit"
Ioni-istutus - luento (Prof. I. N. Beckman, Moskovan valtionyliopisto, 2006)
Päätoimittaja A. M. Prokhorov. Ioni-istutus // Physical Encyclopedia. 5 osassa. - Neuvostoliiton tietosanakirja . - M. , 1988. (Venäjän kieli) - Physical Encyclopedia. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja. 1988.
Epäpuhtauksien ioni-istutus piiyksityiskiteisiin: menetelmän tehokkuus ja säteilyrikkomukset — Advances in Physical Sciences, nro 3, 1995
Puolijohteiden ionidoping – Venäjän tiedeakatemian tiedote nro 8, 1972.
SEMI (eng.) - puolijohdeteknologian laitteiden ja materiaalien valmistajien yhdistyksen sivusto
Ioni -istutus - valikoima linkkejä (eng.)
James Zieglerin koodi ioni-istutuksen simulointiin

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen Britannica (verkossa)