2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21
La implantació d'ions és un procés a baixa temperatura mitjançant el qual els components d'un sol element s'acceleren a la superfície sòlida d'una hòstia, canviant així les seves propietats físiques, químiques o elèctriques. Aquest mètode s'utilitza en la producció de dispositius semiconductors i en l'acabat de metalls, així com en la investigació de la ciència dels materials. Els components poden canviar la composició elemental de la placa si s'aturen i romanen en ella. La implantació d'ions també provoca canvis químics i físics quan els àtoms xoquen amb un objectiu a alta energia. L'estructura cristal·lina de la placa es pot danyar o fins i tot destruir-se per cascades d'energia de col·lisions, i les partícules d'energia prou alta (10 MeV) poden provocar transmutació nuclear.
Principi general de la implantació iònica
L'equip normalment consisteix en una font on es formen els àtoms de l'element desitjat, un accelerador on s'acceleren electrostàticament a un altenergia, i les cambres de l'objectiu on xoquen amb l'objectiu, que és el material. Per tant, aquest procés és un cas especial de radiació de partícules. Cada ió sol ser un sol àtom o molècula i, per tant, la quantitat real de material implantat a l'objectiu és la integral temporal del corrent iònic. Aquest nombre s'anomena dosi. Els corrents subministrats pels implants solen ser petits (microamps) i per tant la quantitat que es pot implantar en un període de temps raonable és petita. Per tant, la implantació d'ions s'utilitza en els casos en què el nombre de canvis químics necessaris és petit.
Les energies iòniques típiques oscil·len entre 10 i 500 keV (1600 a 80000 aJ). La implantació iònica es pot utilitzar a baixes energies en el rang d'1 a 10 keV (160 a 1600 aJ), però la penetració és només d'uns pocs nanòmetres o menys. La potència per sota d'això provoca molt poc dany a l'objectiu i cau sota la designació de deposició de feix d'ions. I també es poden utilitzar energies superiors: són habituals acceleradors capaços de 5 MeV (800.000 aJ). Tanmateix, sovint hi ha molts danys estructurals a l'objectiu i, com que la distribució de profunditat és àmplia (pic de Bragg), el canvi net en la composició en qualsevol punt de l'objectiu serà petit..
L'energia dels ions, així com els diferents tipus d'àtoms i la composició de l'objectiu, determinen la profunditat de penetració de les partícules en un sòlid. Un feix d'ions monoenergètics sol tenir una àmplia distribució de profunditat. La penetració mitjana s'anomena rang. ATen condicions típiques estarà entre 10 nanòmetres i 1 micròmetre. Així, la implantació d'ions de baixa energia és especialment útil en els casos en què es desitja que el canvi químic o estructural estigui a prop de la superfície objectiu. Les partícules perden gradualment la seva energia a mesura que travessen un sòlid, tant per col·lisions aleatòries amb àtoms objectiu (que provoquen transferències d'energia abruptes) com per una lleugera desacceleració de la superposició d'orbitals d'electrons, que és un procés continu. La pèrdua d'energia d'ions en un objectiu s'anomena aturada i es pot modelar mitjançant el mètode d'implantació d'ions de l'aproximació de col·lisió binària.
Els sistemes d'acceleració generalment es classifiquen en corrent mitjà, corrent alt, energia alta i dosi molt important.
Totes les varietats de dissenys de feixos d'implantació iònica contenen determinats grups comuns de components funcionals. Considereu exemples. Els primers fonaments físics i fisicoquímics de la implantació d'ions inclouen un dispositiu conegut com a font per generar partícules. Aquest dispositiu està estretament associat amb elèctrodes esbiaixats per extreure àtoms a la línia del feix i, sovint, amb alguns mitjans per seleccionar modes específics per al transport a la secció principal de l'accelerador. La selecció de "massa" sovint s'acompanya del pas del feix d'ions extret a través d'una regió de camp magnètic amb un camí de sortida limitat per forats de bloqueig o "ranures" que només permeten ions amb un determinat valor del producte de massa i velocitat.. Si la superfície objectiu és més gran que el diàmetre del feix iònic isi la dosi implantada es distribueix de manera més uniforme, s'utilitza una combinació d'exploració del feix i moviment de la placa. Finalment, l'objectiu es connecta a alguna manera de recollir la càrrega acumulada dels ions implantats de manera que la dosi lliurada es pugui mesurar contínuament i el procés s'atura al nivell desitjat.
Aplicació a la fabricació de semiconductors
El dopatge amb bor, fòsfor o arsènic és una aplicació habitual d'aquest procés. En la implantació iònica de semiconductors, cada àtom dopant pot crear un portador de càrrega després del recuit. Podeu construir un forat per a un dopant de tipus p i un electró de tipus n. Això canvia la conductivitat del semiconductor al seu voltant. La tècnica s'utilitza, per exemple, per ajustar el llindar d'un MOSFET.
La implantació iònica es va desenvolupar com un mètode per obtenir una unió pn en dispositius fotovoltaics a finals dels anys setanta i principis dels vuitanta, juntament amb l'ús d'un feix d'electrons polsats per a un recuit ràpid, encara que no s'ha comercialitzat fins ara.
Silici a l'aïllant
Un dels mètodes coneguts per produir aquest material sobre substrats aïllants (SOI) a partir de substrats de silici convencionals és el procés SIMOX (separació per implantació d'oxigen), en el qual l'aire a dosis altes es converteix en òxid de silici mitjançant un procés de recuit a alta temperatura.
Mesotaxi
Aquest és el terme per al creixement cristal·logràficfase coincident sota la superfície del cristall principal. En aquest procés, els ions s'implanten a una energia i dosi suficientment altes al material per crear una segona capa de fase, i la temperatura es controla perquè l'estructura objectiu no es destrueixi. L'orientació del cristall de la capa es pot dissenyar per adaptar-se al propòsit, fins i tot si la constant de gelosia exacta pot ser molt diferent. Per exemple, després d'implantar ions de níquel en una hòstia de silici, es pot cultivar una capa de siliciur en la qual l'orientació del cristall coincideixi amb la del silici.
Aplicació d'acabat metàl·lic
El nitrogen o altres ions es poden implantar en un objectiu d'acer per a eines (com ara un trepant). El canvi estructural indueix la compressió superficial del material, que impedeix la propagació de les esquerdes i, per tant, el fa més resistent a la fractura.
Acabat superficial
En algunes aplicacions, per exemple per a pròtesis com les articulacions artificials, és desitjable tenir un objectiu que sigui altament resistent tant a la corrosió química com al desgast per fricció. La implantació iònica s'utilitza per dissenyar les superfícies d'aquests dispositius per obtenir un rendiment més fiable. Igual que amb els acers per a eines, la modificació de l'objectiu causada per la implantació d'ions inclou tant la compressió superficial per evitar la propagació de les esquerdes com l'aliatge per fer-lo més resistent químicament a la corrosió.
Altresaplicacions
La implantació es pot utilitzar per aconseguir la barreja de feixos iònics, és a dir, la barreja d'àtoms de diferents elements a la interfície. Això pot ser útil per aconseguir superfícies graduades o per millorar l'adhesió entre capes de materials no miscibles.
Formació de nanopartícules
La implantació d'ions es pot utilitzar per induir materials a nanoescala en òxids com el safir i el diòxid de silici. Els àtoms es poden formar com a resultat de la precipitació o de la formació de substàncies barrejades que contenen tant un element implantat amb ions com un substrat.
Les energies típiques del feix d'ions que s'utilitzen per obtenir nanopartícules es troben en el rang de 50 a 150 keV, i la fluència iònica és de 10-16 a 10-18 kV. vegeu Es poden formar una gran varietat de materials amb mides d'1 nm a 20 nm i amb composicions que poden contenir partícules implantades, combinacions que consisteixen únicament en un catió lligat al substrat.
Els materials basats en dielèctrics com el safir, que contenen nanopartícules disperses d'implantació d'ions metàl·lics, són materials prometedors per a l'optoelectrònica i l'òptica no lineal.
Problemes
Cada ió individual produeix molts defectes puntuals al cristall objectiu a l'impacte o intersticial. Les vacants són punts de gelosia no ocupats per un àtom: en aquest cas, l'ió xoca amb l'àtom objectiu, la qual cosa comporta la transferència d'una quantitat important d'energia a aquest, de manera que abandona el seuparcel · la. Aquest objecte objectiu en si es converteix en un projectil en un cos sòlid i pot provocar successives col·lisions. Els intersticis es produeixen quan aquestes partícules s'aturen en un sòlid però no troben espai lliure a la xarxa per viure-hi. Aquests defectes puntuals durant la implantació d'ions poden migrar i agrupar-se entre ells, donant lloc a la formació de bucles de dislocació i altres problemes.
Amorfització
La quantitat de dany cristal·logràfic pot ser suficient per fer una transició completa de la superfície objectiu, és a dir, s'ha de convertir en un sòlid amorf. En alguns casos, l'amorfització completa de l'objectiu és preferible a un cristall amb un alt grau de defectivitat: una pel·lícula d'aquest tipus pot tornar a créixer a una temperatura inferior a la necessària per a recuit d'un cristall greument danyat. L'amorfització del substrat es pot produir com a conseqüència dels canvis de feix. Per exemple, quan s'implanten ions d'itri al safir amb una energia del feix de 150 keV fins a una fluència de 510-16 Y+/sq. cm, es forma una capa vítria d'uns 110 nm de gruix, mesurada des de la superfície exterior.
Spray
Alguns dels esdeveniments de col·lisió fan que els àtoms siguin expulsats de la superfície i, per tant, la implantació d'ions anirà lentament a la superfície. L'efecte només es nota per a dosis molt grans.
Canal d'Ion
Si s'aplica una estructura cristal·logràfica a l'objectiu, especialment en substrats semiconductors on és mésestà oberta, llavors direccions específiques s'aturen molt menys que altres. El resultat és que l'abast d'un ió pot ser molt més gran si es mou exactament per un camí determinat, com en el silici i altres materials cúbics de diamant. Aquest efecte s'anomena canalització iònica i, com tots els efectes similars, és altament no lineal, amb petites desviacions de l'orientació ideal que donen lloc a diferències significatives en la profunditat d'implantació. Per aquest motiu, la majoria s'executa uns quants graus fora de l'eix, on petits errors d'alineació tindran efectes més previsibles.
Recomanat:
Unitat electromagnètica: tipus, finalitat, principi de funcionament
En l'aplicació de mecanismes d'accionament compactes, productius i funcionals avui en dia, gairebé tots els àmbits de l'activitat humana, des de la indústria pesant fins al transport i les llars estan interessats. Aquest és també el motiu de la millora constant dels conceptes tradicionals de les unitats de potència, que, tot i que estan millorant, no canvien el dispositiu fonamental. Els sistemes bàsics més populars d'aquest tipus inclouen un accionament electromagnètic
Control d'imatge tèrmica d'equips elèctrics: concepte, principi de funcionament, tipus i classificació de càmeres tèrmiques, característiques d'aplicació i verificació
El control d'imatge tèrmica dels equips elèctrics és una manera eficaç d'identificar els defectes dels equips elèctrics que es detecten sense apagar la instal·lació elèctrica. En llocs de mal contacte augmenta la temperatura, que és la base de la metodologia
Drenatge del sòl: concepte, finalitat, mètodes i mètodes de treball
El reg i el drenatge dels sòls són mesures molt importants destinades a millorar les condicions de creixement i desenvolupament normal de les plantes. La majoria dels agricultors novells no tenen preguntes sobre el reg d' alta qualitat, però no tothom sap què és el drenatge. Aleshores, per què cal drenar el sòl, en quins casos fer-ho, com dur a terme correctament aquest procediment i què donarà?
Escalfadors de baixa pressió: definició, principi de funcionament, característiques tècniques, classificació, disseny, característiques de funcionament, aplicació a la indústria
Els escalfadors de baixa pressió (LPH) s'utilitzen actualment de manera força activa. Hi ha dos tipus principals que són produïts per diferents plantes de muntatge. Naturalment, també es diferencien en les seves característiques de rendiment
Presentació de comunicacions: tipus, classificació, mètodes i mètodes d'implantació, finalitat de les comunicacions
La col·locació de comunicacions és una de les etapes més importants en la construcció, per exemple, d'un nou edifici residencial. Fins ara, hi ha un gran nombre de les maneres més diverses d'instal·lar comunicacions. Les seves característiques, així com els avantatges i desavantatges, han portat a seleccionar un mètode individual per a cada cas
