Implantarea ionică

Implantarea ionică  este o metodă de introducere a atomilor de impurități (implant) în stratul de suprafață al unui material, de exemplu, o placă semiconductoare sau un film epitaxial prin bombardarea suprafeței acesteia cu un fascicul de ioni de înaltă energie ( 10–2000 keV ).

Este utilizat pe scară largă în crearea de dispozitive semiconductoare folosind tehnologia plană . În această capacitate, este utilizat pentru a forma regiuni care conțin impurități donor sau acceptoare în stratul apropiat de suprafață al unui semiconductor pentru a crea joncțiuni pn și heterojoncțiuni , precum și contacte cu rezistență scăzută.

Implantarea ionică este utilizată și ca metodă de aliere a metalelor pentru modificarea proprietăților fizice și chimice ale acestora (creșterea durității, rezistenței la uzură, rezistenței la coroziune etc.).

Implantarea ionică în materialele supraconductoarelor de înaltă temperatură ale familiei ,  un metal cu pământuri rare , este utilizată pentru a crea centre de fixare care cresc densitatea critică a curentului.

Cum funcționează

Componentele principale ale unei configurații cu fascicul de ioni sunt o sursă de ioni , un accelerator de ioni, un separator magnetic care funcționează pe principiul unui spectrograf de masă , un sistem de scanare cu fascicul de ioni și o cameră în care se află proba iradiată.

Ionii materialului implantat sunt accelerați în accelerator de câmpul electrostatic și bombardează proba.

Ionii sunt accelerați la energii de 10-5000 keV . Adâncimea de penetrare a ionilor în grosimea probei depinde de energia lor și variază de la câțiva nanometri la câțiva micrometri.

Ionii cu o energie de 1-10 keV nu provoacă modificări în structura probei, în timp ce fluxurile de ioni cu energie mai mare pot distruge în mod semnificativ structura cristalină până la distrugerea completă a structurii cristaline și trecerea la o stare amorfă .

Tehnologia de implantare ionică asigură introducerea unei cantități date de aproape orice element chimic la o adâncime mică dată, făcând astfel posibilă crearea unui aliaj de metale care nu se amestecă în stare topită, sau aliarea unei substanțe cu alta cu o concentrație. care nu poate fi realizat chiar și atunci când sunt utilizate temperaturi ridicate.

De asemenea, este posibil să se creeze sisteme compozite cu structuri și proprietăți unice care sunt semnificativ diferite de proprietățile materialului piesei principale.

Introducerea unui implant în rețeaua cristalină principală a materialului este posibilă fără „respectarea” legilor termodinamicii, care determină procesele de echilibru, de exemplu, procesele de difuzie și solubilitate reciprocă.

Implantarea ionică duce la o schimbare semnificativă a proprietăților suprafeței în profunzime:

Ciocnind cu electronii și nucleii suprafeței tratate, ionii substanței de aliere la o anumită adâncime pierd energie și se opresc. Dacă se cunosc tipul și energia ionilor și proprietățile materialului de prelucrat, atunci se pot calcula adâncimea de penetrare a ionilor (sau lungimea medie a căii) și distribuția lungimii căii. Pentru fasciculele ionice cu energii tipice de până la 500 keV , intervalul ajunge până la 1 μm .

Datorită influenței unui număr mare de factori, profilul de distribuție al substanței introduse în suprafață este apropiat ca formă de distribuția gaussiană , dar de fapt se observă abateri de la distribuția normală, în special, concentrația implantului este crescută față de distribuția normală către suprafață.

Introducerea ionilor în rețeaua cristalină a materialului prelucrat duce la apariția unor defecte în structura cristalină. Atomii substanței iradiate scoși din zonele rețelei conduc la formarea de goluri și defecte în structura cristalină. Atomii implantului formează defecte interstițiale. Totalitatea acestor defecte formează luxații și grupuri întregi de luxații [1] . Pentru a reduce concentraţia luxaţiilor după implantarea ionică se utilizează recoacere .

Aplicații în industria electronică

Dopajul semiconductorilor

Dopajul ionic este utilizat pe scară largă în crearea microcipurilor LSI și VLSI. În comparație cu difuzia , permite crearea de straturi dopate cu dimensiuni submicronice de-a lungul suprafeței fără utilizarea unei măști și o grosime a stratului dopat mai mică de 0,1 µm cu o reproductibilitate ridicată a profilului de concentrație de dopaj.

Ionii elementelor utilizate de obicei pentru a crea conductivitatea impurităților, pătrunzând într-un cristal semiconductor, ocupă poziția atomilor de substituție în rețeaua sa și creează tipul corespunzător de conductivitate. Prin introducerea ionilor de grup III și V într-un singur cristal de siliciu, este posibilă obținerea unei joncțiuni pn oriunde pe suprafață și pe orice zonă a cristalului.

Posibilitatea de dopare a semiconductorilor cu bor , fosfor , arsen în interiorul semiconductorului, spre deosebire de metodele de difuzie de dopaj de la suprafață, este cel mai important avantaj al implantării ionice. Acest proces de aliere este considerat a fi una dintre cele mai curate metode de aliere. Ionul implantat creează un atom de impuritate donor sau acceptor în semiconductor , dând semiconductorului un tip de conductivitate electronică sau orificiu.

De asemenea, este posibil să se creeze un strat dielectric izolator pe suprafața de siliciu. În acest caz, se utilizează implantarea ionilor de oxigen , ionii de oxigen implantați oxidează siliciul la dioxid de siliciu , care este un izolator excelent. După introducerea ionilor de oxigen, este necesar să se efectueze recoacere. Acest proces se numește SIMOX ( Separarea prin IMplantare a OXIGENului  - izolare prin oxigen implantat).

Mezotaxie

Mezotaxia este un proces similar cu epitaxia . În procesul mezotaxiei, creșterea unei heterostructuri, în concordanță cu parametrii rețelei cristaline a substratului, are loc de la suprafață în stratul semiconductor prin implantarea ionilor și alegerea temperaturii dorite.

Alte utilizări

Pentru a obține fulerene și nanotuburi umplute cu material conductiv sau supraconductor, se poate folosi implantarea ionică a particulelor în nanostructurile de carbon [2] .

Aplicații în metalurgie

Ionii de azot sunt utilizați pentru a întări suprafața uneltelor de tăiere din oțel ( freze , burghie etc.).

Implantarea acestor ioni previne formarea fisurilor pe suprafata metalului si imbunatateste proprietatile de coroziune si frecare ale otelului. Aceste din urmă proprietăți sunt importante în medicină la fabricarea protezelor, în știința avioanelor și a rachetelor.

Adesea se recurge la implantarea simultană a ionilor diferiților atomi. Acest lucru este important atunci când este necesar să se creeze aderență între materiale care, prin natura lor, nu aderă bine.

Acum tehnologia de implantare ionică face posibilă prelucrarea palelor de lucru ale turbinelor cu abur de până la 1700 mm în dimensiune [1] .

Aceasta crește:

La aplicarea straturilor de protecție pe paletele turbinei din aliaje rezistente la căldură , se obține o creștere:

Implantarea ionică este, de asemenea, utilizată ca una dintre metodele de conferire a unei structuri amorfe stratului de suprafață al unui metal [3] .

Unii producători de echipamente de implantare ionică

Note

  1. ↑ 1 2 NPP UAST - Tehnologii înalte - Implantarea ionică . Data accesului: 8 mai 2010. Arhivat din original pe 6 ianuarie 2011.
  2. ↑ Implantarea ionică: noi posibilități ale binecunoscutei metode Copie de arhivă din 9 iunie 2011 la Wayback Machine  - Izvestiya OrelGTU. 2003. Nr. 1-2.
  3. ↑ Pozdnyakov V. A. Știința materialelor fizice a materialelor nanostructurate. (capitolul Obținerea unei stări amorfe dintr-o stare solidă cristalină)

Vezi și

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii