Ion beültetés

Az ionimplantáció  egy olyan módszer, amellyel szennyező atomokat (implantátumot) juttatnak be egy anyag, például egy félvezető lapka vagy egy epitaxiális film felületi rétegébe nagyenergiájú ionsugárral ( 10-2000 keV ) bombázva a felületét.

Széles körben használják félvezető eszközök létrehozásában a planáris technológiával . Ebben a minőségben donor vagy akceptor szennyeződéseket tartalmazó régiók kialakítására használják a félvezetők felszínéhez közeli rétegében pn átmenetek és heterojunkciók , valamint kis ellenállású érintkezők létrehozása érdekében.

Az ionimplantációt fémek ötvözésére is használják, hogy megváltoztassák azok fizikai és kémiai tulajdonságait (keménység növelése, kopásállóság, korrózióállóság stb.).

A családba tartozó magas hőmérsékletű szupravezetők anyagaiba ,  egy ritkaföldfémbe történő ionimplantációt olyan rögzítési központok létrehozására használják, amelyek növelik a kritikus áramsűrűséget.

Hogyan működik

Az ionsugaras elrendezés fő összetevői egy ionforrás , egy iongyorsító, egy tömegspektrográf elvén működő mágneses szeparátor , egy ionnyaláb pásztázó rendszer és egy kamra, amelyben a besugárzott minta található.

A beültetett anyag ionjai a gyorsítóban az elektrosztatikus tér hatására felgyorsulnak, és bombázzák a mintát.

Az ionok 10-5000 keV energiára gyorsulnak fel . Az ionok behatolási mélysége a minta vastagságába az energiájuktól függ, és néhány nanométertől több mikrométerig terjed.

Az 1-10 keV energiájú ionok nem okoznak változást a minta szerkezetében, míg a nagyobb energiájú ionok áramlása jelentősen tönkreteheti a kristályszerkezetet egészen a kristályszerkezet teljes megsemmisüléséhez és amorf állapotba való átmenetéig .

Az ionimplantációs technológia szinte bármilyen kémiai elem adott mennyiségének bejuttatását biztosítja egy adott sekély mélységben, így lehetővé válik olyan fémötvözet létrehozása, amely olvadt állapotban nem keveredik, vagy az egyik anyag a másikkal ötvözhető koncentrációban. ami még magas hőmérséklet alkalmazása esetén sem érhető el.

Lehetőség van egyedi szerkezetű és tulajdonságú kompozit rendszerek létrehozására is, amelyek jelentősen eltérnek a fő alkatrész anyagának tulajdonságaitól.

Az implantátum behelyezése az anyag fő kristályrácsába a termodinamika törvényeinek „betartása” nélkül lehetséges, amelyek meghatározzák az egyensúlyi folyamatokat, például a diffúziós és a kölcsönös oldhatósági folyamatokat.

Az ionbeültetés a felületi tulajdonságok mélységben történő jelentős változásához vezet:

• 1–9 µm -ig megváltozott kémiai összetételű réteg ;
• 100 µm -ig módosított diszlokációs szerkezetű réteg .

A kezelt felület elektronjaival és atommagjaival ütközve az ötvöző anyag ionjai bizonyos mélységben energiát veszítenek és leállnak. Ha ismert az ionok típusa és energiája, valamint a feldolgozandó anyag tulajdonságai, akkor kiszámítható az ion behatolási mélysége (vagy átlagos úthossza) és az úthossz eloszlása. Az 500 keV - ig terjedő tipikus energiájú ionsugaraknál a tartomány eléri az 1 μm -t is .

Számos tényező hatására a felületbe juttatott anyag eloszlási profilja alakjában közel áll a Gauss-eloszláshoz , de valójában eltérések figyelhetők meg a normál eloszlástól, különösen az implantátum koncentrációja. nőtt a normál eloszláshoz képest a felszín felé.

Az ionok bevitele a feldolgozott anyag kristályrácsába a kristályszerkezet hibáinak megjelenéséhez vezet. A besugárzott anyag rácshelyeiből kiütött atomjai üresedésekhez és kristályszerkezeti hibákhoz vezetnek. Az implantátum atomjai intersticiális hibákat képeznek. Az ilyen hibák összessége diszlokációkat és teljes diszlokációs klasztereket képez [1] . Az ionimplantáció utáni diszlokációk koncentrációjának csökkentésére lágyítást alkalmaznak .

Alkalmazások az elektronikai iparban

Félvezetők doppingolása

Az ionadalékolást széles körben használják LSI és VLSI mikrochipek létrehozásában. A diffúzióhoz képest lehetővé teszi szubmikron méretű adalékolt rétegek létrehozását a felület mentén maszk használata nélkül, és 0,1 µm -nél kisebb vastagságú adalékolt réteget , az adalékolási koncentráció profil magas reprodukálhatóságával.

A szennyező vezetőképesség létrehozására általában használt elemek ionjai, amelyek egy félvezető kristályba hatolnak be, elfoglalják a helyettesítő atomok helyét annak rácsában, és létrehozzák a megfelelő típusú vezetőképességet. A III. és V. csoport ionjainak egyetlen szilíciumkristályba történő bejuttatásával lehetőség nyílik pn átmenet létrehozására a kristály felületén és bármely területén.

Az ionbeültetés legfontosabb előnye, hogy a félvezetőket bórral , foszforral , arzénnel lehet adalékolni a félvezető belsejében, ellentétben a felületről történő adalékolás diffúziós módszereivel. Ezt az ötvözési eljárást tartják az egyik legtisztább ötvözési módszernek. A beültetett ion donor vagy akceptor szennyező atomot hoz létre a félvezetőben , ami a félvezetőnek elektronikus vagy lyuk típusú vezetőképességet biztosít.

A szilícium felületén szigetelő dielektromos réteg is kialakítható. Ebben az esetben oxigénion-beültetést alkalmaznak, a beültetett oxigénionok a szilíciumot szilícium - dioxiddá oxidálják , ami kiváló szigetelő. Az oxigénionok bevezetése után izzítást kell végezni. Ezt a folyamatot SIMOX-nak ( Separation by IMplantation of OXygen  – izolálás implantált oxigénnel) hívják.

Mezotaxia

A mezotaxia az epitaxiához hasonló folyamat . A mezotaxia során a felületről a félvezető rétegbe ionok beültetésével és a kívánt hőmérséklet megválasztásával a szubsztrát kristályrácsának paramétereivel összhangban lévő heterostruktúra növekedése történik.

Egyéb felhasználások

Vezetőképes vagy szupravezető anyaggal töltött fullerének és nanocsövek előállításához részecskék szén-nanoszerkezetekbe történő ionimplantációja használható [2] .

Alkalmazások a kohászatban

A nitrogénionokat acél vágószerszámok ( marók , fúrók stb.) felületének keményítésére használják.

Ezen ionok beültetése megakadályozza a repedések kialakulását a fémfelületen, és javítja az acél korróziós és súrlódási tulajdonságait. Ez utóbbi tulajdonságok fontosak az orvostudományban a protézisek gyártásában, a repülőgép- és rakétatudományban.

Gyakran igénybe veszik a különböző atomok ionjainak egyidejű beültetését. Ez akkor fontos, ha olyan anyagok között kell tapadást kialakítani , amelyek természetüknél fogva nem jól tapadnak.

Az ionbeültetés technológiája ma már 1700 mm méretű gőzturbinák munkalapátjainak feldolgozását teszi lehetővé [1] .

Ez növeli:

• fáradási határ 7-25% ;
• tartósság több mint 20-szor ;
• a következő bevonatok tapadási szilárdsága.

Ha hőálló ötvözetekből készült turbinalapátokat védőbevonattal látunk el , akkor a következő növekedés érhető el:

• hőállóság 2,5-szeresére ;
• korrózióállóság 1,9-szeres ;
• hosszú távú szilárdság 1,6-szor ;
• fáradtságállóság 1,2-szeresére .

Az ionimplantációt a fém felületi rétegének amorf szerkezetének egyik módszereként is használják [3] .

Egyes ionimplantációs berendezések gyártói

• Fejlett ionsugár technológia
• Axcelis Technologies
• Komplett ionok
• Ipari Plazma Technológiák Facilitációs Központja
• Globális technológiák, K+F berendezések és szerviz
• Ionsugár-szolgáltatások
• Nissin Ion berendezések
• SemEquip
• SEN Corporation
• Tokyo Electron Limited
• Ulvac Technologies
• Varian félvezető berendezések

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 Atomerőmű UAST - Csúcstechnológiák - Ionbeültetés . Hozzáférés dátuma: 2010. május 8. Az eredetiből archiválva : 2011. január 6.. (határozatlan)
2. ↑ Ionbeültetés: a jól ismert módszer új lehetőségei Archív másolat 2011. június 9-én a Wayback Machine -nél  - Izvestiya OrelGTU. 2003. 1-2.
3. ↑ Pozdnyakov V. A. Nanostrukturált anyagok fizikai anyagtudománya. (fejezet: Amorf állapot előállítása szilárd kristályos állapotból)

Lásd még

• ionforrás
• Neutron transzmutációs dopping
• Fotoreziszt
• Fókuszálható ionsugár
• Plazma-immerziós ionimplantáció
• Ionsugár elemzés

Irodalom

• Rissel H., Ruge I. Ionbeültetés . - M .: Nauka, 1983.
• Meyer J., Erickson L., Davis J. Félvezetők (szilícium és germánium) ionadalékolása. - M . : Mir, 1973. - 296 p.
• Komarov F. F., Novikov A. P., Burenkov A. F. Ionbeültetés . - Minszk: Universitetskaya, 1994. - 303 p. - ISBN 985-09-0036-9 .
• Abroyan I. A., Andronov A. N., Titov A. I. Az elektronikai és iontechnológia fizikai alapjai. - M . : Felsőiskola, 1984. - 320 p.
• Zorin E. I., Pavlov P. V., Tetelbaum D. I. Félvezetők iondoppingja. - M . : Energia, 1975. - 128 p.
• Pranevičius L., Dudonis J. Szilárd anyagok tulajdonságainak módosítása ionsugárral. - Vilnius: Mokslas, 1980. - 242 p.
• Gabovich MD Az ionok plazmaforrásainak fizikája és technológiája. — M .: Atomizdat, 1972. — 304 p.
• Az iondopping technológiája / Szerk. S. Namba / Japánból fordítva. - M . : Szov. rádió, 1974. - 160 p.
• Valiev, K. A.; Rakov, A. V. A szubmikronos litográfia fizikai alapjai a mikroelektronikában. - M. : Nauka, 1984. - 352 p.
• Popov VF ionsugaras telepítések. - L . : Energoizdat, 1981. - 136 p.
• Broday I., Merey J. A mikrotechnológia fizikai alapjai. — M .: Mir, 1985. — 496 p. — ISBN 200002876210.
• Popov VF, Gorin Yu. N. Az elektron-ion technológia folyamatai és telepítései. - M . : Felsőiskola, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .
• Vinogradov MI, Maishev Yu. P. Vákuumos eljárások és berendezések ion- és elektronsugaras technológiához. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .

Linkek

• Ionbeültetés  - Nanotechnológiai szakkifejezések szótára
• Ionbeültetés  - szövetségi internetes portál " Nanotechnológiák és nanoanyagok"
• Ionbeültetés  - előadás (Prof. I. N. Beckman, Moszkvai Állami Egyetem, 2006)
• A. M. Prokhorov főszerkesztő. Ionbeültetés // Fizikai enciklopédia. 5 kötetben. - Szovjet Enciklopédia . - M. , 1988. (Orosz)  - Fizikai enciklopédia. — M.: Szovjet Enciklopédia. 1988.
• Szennyeződések ionos beültetése szilícium-egykristályokba: A módszer hatékonysága és a sugárzás megsértése  – Advances in Physical Sciences, 3. szám, 1995.
• Félvezetők iondoppingja  – Az Orosz Tudományos Akadémia közleménye, 1972. 8. sz.
• SEMI  (eng.)  - a félvezető technológiákhoz szükséges berendezéseket és anyagokat gyártók szövetségének oldala
• Ionbeültetés  – hivatkozások válogatása  (eng.)
•  James Ziegler kódja az ionimplantáció szimulálásához

Szótárak és enciklopédiák	Nagy orosz Britannica (online)