غرس الأيونات: المفهوم ، مبدأ التشغيل ، الطرق ، الغرض والتطبيق

2025 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2025-01-24 13:11

غرس أيون هو عملية منخفضة الحرارة يتم من خلالها تسريع مكونات عنصر واحد إلى السطح الصلب للرقاقة ، وبالتالي تغيير خصائصه الفيزيائية أو الكيميائية أو الكهربائية. تُستخدم هذه الطريقة في إنتاج أجهزة أشباه الموصلات وفي تشطيب المعادن ، وكذلك في أبحاث علوم المواد. يمكن للمكونات تغيير التكوين الأولي للوحة إذا توقفت وبقيت فيها. يؤدي غرس الأيونات أيضًا إلى تغيرات كيميائية وفيزيائية عندما تصطدم الذرات بهدف عند طاقة عالية. يمكن أن يتلف الهيكل البلوري للوحة أو حتى تدميره بواسطة شلالات الطاقة الناتجة عن الاصطدامات ، ويمكن أن تتسبب الجسيمات ذات الطاقة العالية بما فيه الكفاية (10 ميغا إلكترون فولت) في حدوث تحول نووي.

المبدأ العام لزرع الأيونات

تتكون المعدات عادة من مصدر تتشكل فيه ذرات العنصر المطلوب ، وهو معجل حيث يتم تسريعها إلكتروستاتيكيًا إلى مستوى عالٍالطاقة ، والغرف المستهدفة حيث تصطدم بالهدف ، وهو المادة. وبالتالي ، فإن هذه العملية هي حالة خاصة من إشعاع الجسيمات. عادة ما يكون كل أيون ذرة أو جزيءًا منفردًا ، وبالتالي فإن الكمية الفعلية من المادة المزروعة في الهدف هي الوقت المتكامل للتيار الأيوني. هذا الرقم يسمى الجرعة. عادة ما تكون التيارات التي توفرها الغرسات صغيرة (ميكرو أمبير) وبالتالي فإن الكمية التي يمكن غرسها في فترة زمنية معقولة صغيرة. لذلك ، يتم استخدام غرس الأيونات في الحالات التي يكون فيها عدد التغييرات الكيميائية المطلوبة صغيرًا.

تتراوح طاقات الأيونات النموذجية من 10 إلى 500 كيلو فولت (1600 إلى 80000 أمبير). يمكن استخدام غرس الأيونات في طاقات منخفضة في نطاق من 1 إلى 10 كيلو فولت (160 إلى 1600 أمبير) ، لكن الاختراق لا يتجاوز بضعة نانومترات أو أقل. ينتج عن القوة الأقل من هذا ضرر ضئيل جدًا للهدف وتقع تحت تسمية ترسيب الحزمة الأيونية. ويمكن أيضًا استخدام طاقات أعلى: من الشائع استخدام مسرعات بقدرة 5 إلكترون فولت (800 ألف جالون). ومع ذلك ، غالبًا ما يكون هناك الكثير من الأضرار الهيكلية للهدف ، ولأن توزيع العمق واسع (ذروة براج) ، فإن صافي التغيير في التركيب في أي نقطة على الهدف سيكون صغيراً.

طاقة الأيونات ، وكذلك أنواع الذرات المختلفة وتكوين الهدف ، تحدد عمق تغلغل الجسيمات في المادة الصلبة. عادةً ما يكون للشعاع الأيوني أحادي الطاقة توزيع عميق على العمق. متوسط الاختراق يسمى المدى. فيفي ظل الظروف النموذجية سيكون بين 10 نانومتر و 1 ميكرومتر. وبالتالي ، فإن غرس الأيونات منخفض الطاقة مفيد بشكل خاص في الحالات التي يكون فيها التغيير الكيميائي أو الهيكلي بالقرب من السطح المستهدف. تفقد الجسيمات طاقتها تدريجيًا أثناء مرورها عبر مادة صلبة ، سواء من الاصطدامات العشوائية مع الذرات المستهدفة (التي تسبب نقلًا مفاجئًا للطاقة) ومن التباطؤ الطفيف من تداخل مدارات الإلكترون ، وهي عملية مستمرة. يسمى فقدان الطاقة للأيونات في الهدف بالتوقف ويمكن نمذجة باستخدام طريقة غرس الأيونات لتقريب الاصطدام الثنائي.

تُصنف أنظمة التسريع عمومًا إلى تيار متوسط ، تيار مرتفع ، طاقة عالية ، وجرعة كبيرة جدًا.

تحتوي جميع أنواع تصميمات شعاع غرس الأيونات على مجموعات مشتركة معينة من المكونات الوظيفية. ضع في اعتبارك الأمثلة. تتضمن الأسس الفيزيائية والكيميائية الفيزيائية الأولى لغرس الأيونات جهازًا يُعرف بأنه مصدر لتوليد الجسيمات. يرتبط هذا الجهاز ارتباطًا وثيقًا بأقطاب كهربائية متحيزة لاستخراج الذرات في خط الحزمة وغالبًا مع بعض الوسائل لاختيار أوضاع معينة للنقل إلى القسم الرئيسي من المسرع. غالبًا ما يكون اختيار "الكتلة" مصحوبًا بمرور الحزمة الأيونية المستخرجة عبر منطقة المجال المغناطيسي مع مسار خروج محدود بسد الثقوب أو "الفتحات" التي تسمح فقط للأيونات ذات القيمة المحددة لمنتج الكتلة والسرعة. إذا كان السطح المستهدف أكبر من قطر الحزمة الأيونية وإذا تم توزيع الجرعة المزروعة بشكل متساوٍ فوقها ، فسيتم استخدام مزيج من المسح الشعاعي وحركة اللوحة. أخيرًا ، الهدف مرتبط بطريقة ما لتجميع الشحنة المتراكمة للأيونات المزروعة بحيث يمكن قياس الجرعة المقدمة باستمرار وتوقف العملية عند المستوى المطلوب.

التطبيق في تصنيع أشباه الموصلات

تعاطي المنشطات بالبورون أو الفوسفور أو الزرنيخ هو تطبيق شائع لهذه العملية. في غرس أيون لأشباه الموصلات ، يمكن لكل ذرة شائبة أن تخلق حامل شحنة بعد التلدين. يمكنك بناء ثقب للإلكترون من النوع p و n. هذا يغير موصلية أشباه الموصلات في المنطقة المجاورة لها. يتم استخدام هذه التقنية ، على سبيل المثال ، لضبط عتبة MOSFET.

تم تطوير غرس الأيوناتكطريقة للحصول على تقاطع pn في الأجهزة الكهروضوئية في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات ، جنبًا إلى جنب مع استخدام حزمة إلكترونية نابضة للتلدين السريع ، على الرغم من عدم تسويقها حتى الآن.

السيليكون على العازل

إحدى الطرق المعروفة لإنتاج هذه المادة على ركائز عازلة (SOI) من ركائز السيليكون التقليدية هي عملية SIMOX (الفصل بزرع الأكسجين) ، حيث يتم تحويل جرعة عالية من الهواء إلى أكسيد السيليكون من خلال عملية التلدين بدرجات حرارة عالية.

Mesotaxy

هذا هو مصطلح النمو البلوريالمرحلة المتزامنة تحت سطح البلورة الرئيسية. في هذه العملية ، يتم غرس الأيونات بطاقة وجرعة عالية بما فيه الكفاية في المادة لإنشاء طبقة المرحلة الثانية ، ويتم التحكم في درجة الحرارة بحيث لا يتم تدمير الهيكل المستهدف. يمكن تصميم الاتجاه البلوري للطبقة ليناسب الغرض ، حتى لو كان ثابت الشبكة الدقيقة مختلفًا تمامًا. على سبيل المثال ، بعد غرس أيونات النيكل في رقاقة سيليكون ، يمكن زراعة طبقة من السليكون بحيث يتطابق اتجاه البلورة مع تلك الموجودة في السيليكون.

تطبيق إنهاء المعادن

يمكن غرس النيتروجين أو أيونات أخرى في أداة فولاذية مستهدفة (مثل المثقاب). يؤدي التغيير الهيكلي إلى ضغط السطح في المادة ، مما يمنع انتشار الشقوق وبالتالي يجعلها أكثر مقاومة للكسر.

الانتهاء من السطح

في بعض التطبيقات ، على سبيل المثال للأطراف الاصطناعية مثل المفاصل الصناعية ، من المستحسن أن يكون لديك هدف ذو مقاومة عالية للتآكل الكيميائي والتآكل بسبب الاحتكاك. يستخدم زرع الأيونات لتصميم أسطح هذه الأجهزة للحصول على أداء أكثر موثوقية. كما هو الحال مع فولاذ الأدوات ، يتضمن التعديل المستهدف الناجم عن غرس الأيونات كلاً من ضغط السطح لمنع انتشار الشقوق والسبائك لجعله أكثر مقاومة كيميائيًا للتآكل.

أخرىالتطبيقات

يمكن استخدام الغرس لتحقيق خلط الحزم الأيونية ، أي مزج ذرات العناصر المختلفة في الواجهة. يمكن أن يكون هذا مفيدًا لتحقيق أسطح متدرجة أو تعزيز الالتصاق بين طبقات المواد غير القابلة للامتزاج.

تشكيل الجسيمات النانوية

يمكن استخدام غرس الأيونات لتحفيز المواد النانوية في أكاسيد مثل الياقوت وثاني أكسيد السيليكون. يمكن أن تتشكل الذرات نتيجة الترسيب أو تكوين مواد مختلطة تحتوي على عنصر أيون مزروع وركيزة.

طاقات شعاع الأيونات النموذجية المستخدمة للحصول على الجسيمات النانوية تتراوح من 50 إلى 150 كيلو فولت ، وفلوان الأيونات من 10-16 إلى 10-18 كيلو فولت. see يمكن تشكيل مجموعة متنوعة من المواد بأحجام تتراوح من 1 نانومتر إلى 20 نانومتر وبتركيبات يمكن أن تحتوي على جزيئات مزروعة ، وهي مجموعات تتكون فقط من كاتيون مرتبط بالركيزة.

المواد القائمة على عازلة مثل الياقوت ، والتي تحتوي على جزيئات نانوية مشتتة من غرس أيونات معدنية ، هي مواد واعدة للإلكترونيات الضوئية والبصريات غير الخطية.

مشاكل

ينتج كل أيون فردي العديد من عيوب النقاط في البلورة المستهدفة عند التأثير أو الخلالية. الوظائف الشاغرة هي نقاط شعرية لا تشغلها ذرة: في هذه الحالة يصطدم الأيون بالذرة المستهدفة ، مما يؤدي إلى نقل كمية كبيرة من الطاقة إليها ، بحيث تتركها.حبكة. يصبح هذا الكائن المستهدف نفسه مقذوفًا في جسم صلب ويمكن أن يتسبب في حدوث تصادمات متتالية. تحدث الفجوات عندما تتوقف هذه الجسيمات في مادة صلبة ولكنها لا تجد مساحة خالية في الشبكة لتعيش فيها. يمكن أن تنتقل هذه العيوب النقطية أثناء غرس الأيونات وتتجمع مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين حلقات خلع ومشاكل أخرى.

غير شكل

قد يكون مقدار الضرر البلوري كافياً لنقل سطح الهدف بالكامل ، أي أنه يجب أن يصبح مادة صلبة غير متبلورة. في بعض الحالات ، يكون تغيير الشكل الكامل للهدف أفضل من البلورة بدرجة عالية من العيب: يمكن أن ينمو هذا الفيلم مرة أخرى عند درجة حرارة أقل مما هو مطلوب لتصلب بلورة شديدة التلف. يمكن أن يحدث تغير الشكل في الركيزة نتيجة لتغيرات الحزمة. على سبيل المثال ، عند غرس أيونات الإيتريوم في الياقوت بطاقة شعاع من 150 كيلو فولت حتى 510-16 Y + / sq. سم ، تتكون طبقة زجاجية بسمك 110 نانومتر تقريبًا ، تقاس من السطح الخارجي.

رذاذ

تتسبب بعض حوادث الاصطدام في طرد الذرات من السطح ، وبالتالي فإن غرس الأيونات سيحفر السطح ببطء. التأثير ملحوظ فقط للجرعات الكبيرة جدا.

قناة ايون

إذا تم تطبيق بنية بلورية على الهدف ، خاصة في ركائز أشباه الموصلات حيث يكون أكثرمفتوح ، ثم تتوقف الاتجاهات المحددة بدرجة أقل بكثير من الاتجاهات الأخرى. والنتيجة هي أن نطاق أيون يمكن أن يكون أكبر بكثير إذا تحرك بالضبط على طول مسار معين ، كما هو الحال في السيليكون ومواد مكعبات الماس الأخرى. يُطلق على هذا التأثير توجيه الأيونات ، ومثل جميع التأثيرات المتشابهة ، فهو غير خطي بدرجة كبيرة ، مع وجود انحرافات صغيرة عن الاتجاه المثالي مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في عمق الانغراس. لهذا السبب ، يتم تشغيل معظمها بضع درجات خارج المحور ، حيث سيكون لأخطاء المحاذاة الصغيرة تأثيرات أكثر توقعًا.