Upandikizaji wa ion: dhana, kanuni ya uendeshaji, mbinu, madhumuni na matumizi

2024 Mwandishi: Howard Calhoun | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 10:41

Upandikizaji wa Ioni ni mchakato wa halijoto ya chini ambapo vijenzi vya kipengele kimoja huharakishwa hadi kwenye uso thabiti wa kaki, na hivyo kubadilisha sifa zake za kimwili, kemikali au umeme. Njia hii hutumiwa katika uzalishaji wa vifaa vya semiconductor na katika kumaliza chuma, na pia katika utafiti wa sayansi ya vifaa. Vipengele vinaweza kubadilisha muundo wa msingi wa sahani ikiwa wataacha na kubaki ndani yake. Uwekaji wa ioni pia husababisha mabadiliko ya kemikali na kimwili wakati atomi zinapogongana na shabaha ya nishati ya juu. Muundo wa fuwele wa sahani unaweza kuharibiwa au hata kuharibiwa na migongano ya nishati, na chembechembe za nishati ya kutosha (10 MeV) zinaweza kusababisha ubadilishanaji wa nyuklia.

Kanuni ya jumla ya upandikizaji wa ion

Kifaa kawaida huwa na chanzo ambapo atomi za elementi inayotakikana huundwa, kichapuzi ambapo huwekwa kasi ya kielektroniki hadi kiwango cha juu.nishati, na vyumba lengwa ambapo vinagongana na shabaha, ambayo ni nyenzo. Hivyo, mchakato huu ni kesi maalum ya mionzi ya chembe. Kila ayoni kwa kawaida ni atomi au molekuli moja, na kwa hivyo kiasi halisi cha nyenzo kilichopandikizwa kwenye lengo ni muunganisho wa wakati wa mkondo wa ioni. Nambari hii inaitwa kipimo. Mikondo inayotolewa na vipandikizi kawaida ni ndogo (microamps) na kwa hivyo kiasi kinachoweza kupandikizwa kwa muda unaofaa ni kidogo. Kwa hivyo, upandikizaji wa ioni hutumika katika hali ambapo idadi ya mabadiliko ya kemikali inayohitajika ni ndogo.

Nishati za kawaida za ioni huanzia 10 hadi 500 keV (1600 hadi 80000 aJ). Uwekaji wa ioni unaweza kutumika kwa nishati ya chini katika anuwai ya 1 hadi 10 keV (160 hadi 1600 aJ), lakini kupenya ni nanomita chache tu au chini. Nguvu iliyo chini ya hii husababisha uharibifu mdogo sana kwa lengo na iko chini ya uwekaji wa boriti ya ioni. Na nishati ya juu pia inaweza kutumika: accelerators uwezo wa 5 MeV (800,000 aJ) ni ya kawaida. Hata hivyo, mara nyingi kuna uharibifu mwingi wa kimuundo kwa lengo, na kwa sababu mgawanyo wa kina ni mpana (kilele cha Bragg), mabadiliko ya wavu katika utunzi wakati wowote kwenye lengwa yatakuwa ndogo.

Nishati ya ayoni, pamoja na aina tofauti za atomi na muundo wa lengwa, huamua kina cha kupenya kwa chembe hadi kwenye kigumu. Boriti ya ioni ya monoenergetic kawaida ina usambazaji wa kina kirefu. Kupenya kwa wastani kunaitwa anuwai. KATIKAkatika hali ya kawaida itakuwa kati ya nanomita 10 na mikromita 1. Kwa hivyo, uwekaji wa ioni ya nishati ya chini ni muhimu sana katika hali ambapo inahitajika kwamba mabadiliko ya kemikali au muundo yawe karibu na uso unaolengwa. Chembe hupoteza nishati yake pole pole zinapopitia kigumu, kutoka kwa migongano ya nasibu na atomi lengwa (ambayo husababisha uhamishaji wa ghafla wa nishati) na kutoka kwa kushuka kwa kasi kidogo kutoka kwa mwingiliano wa obiti za elektroni, ambao ni mchakato unaoendelea. Upotevu wa nishati ya ayoni katika lengwa huitwa kukwama na unaweza kuigwa kwa kutumia mbinu ya upandikizaji wa ayoni ya ukadiriaji wa mgongano wa binary.

Mifumo ya kichapuzi kwa ujumla imeainishwa kuwa ya sasa ya kati, ya sasa ya juu, nishati ya juu, na kipimo muhimu sana.

Aina zote za miundo ya boriti ya upandikizaji wa ioni zina vikundi fulani vya kawaida vya vipengee vya utendaji. Fikiria mifano. Misingi ya kwanza ya kimwili na ya kifizikia-kemikali ya upandikizaji wa ioni ni pamoja na kifaa kinachojulikana kama chanzo cha kuzalisha chembe. Kifaa hiki kinahusishwa kwa karibu na elektroni za upendeleo za kuchimba atomi kwenye mstari wa boriti na mara nyingi na njia fulani za kuchagua njia maalum za usafirishaji hadi sehemu kuu ya kiongeza kasi. Uchaguzi wa "molekuli" mara nyingi hufuatana na kifungu cha boriti ya ioni iliyotolewa kupitia eneo la shamba la sumaku na njia ya kutoka iliyopunguzwa na mashimo ya kuzuia au "slots" ambayo inaruhusu ions tu na thamani fulani ya bidhaa ya molekuli na kasi.. Ikiwa uso unaolengwa ni mkubwa kuliko kipenyo cha boriti ya ioni naikiwa kipimo kilichowekwa kinasambazwa sawasawa juu yake, basi mchanganyiko fulani wa skanning ya boriti na harakati za sahani hutumiwa. Hatimaye, lengo linaunganishwa kwa baadhi ya njia ya kukusanya chaji iliyokusanywa ya ayoni zilizopandikizwa ili kipimo kilicholetwa kiweze kupimwa kwa kuendelea na mchakato ukomeshwe kwa kiwango kinachohitajika.

Maombi katika utengenezaji wa semiconductor

Doping yenye boroni, fosforasi au arseniki ni matumizi ya kawaida ya mchakato huu. Katika upandikizaji wa ioni wa semiconductors, kila atomi ya dopant inaweza kuunda kibebea chaji baada ya kuchujwa. Unaweza kujenga shimo kwa dopant ya aina ya p na elektroni ya aina ya n. Hii inabadilisha conductivity ya semiconductor katika maeneo ya jirani yake. Mbinu inatumika, kwa mfano, kurekebisha kizingiti cha MOSFET.

Upandikizaji wa Ion ulianzishwa kama njia ya kupata makutano ya pn katika vifaa vya voltaic mwishoni mwa miaka ya 1970 na mapema miaka ya 1980, pamoja na matumizi ya boriti ya elektroni inayopigika kwa upunguzaji wa haraka, ingawa haijauzwa kibiashara hadi sasa.

Silikoni kwenye kihami

Mojawapo ya mbinu zinazojulikana sana za kutengenezea nyenzo hii kwenye kizio (SOI) kutoka substrates za silicon za kawaida ni mchakato wa SIMOX (kutenganisha kwa kupandikiza oksijeni), ambapo hewa ya kiwango cha juu hubadilishwa kuwa oksidi ya silicon kupitia mchakato wa kuongeza joto la juu.

Mesotaxy

Hili ni neno la ukuaji kwa fuwelesanjari awamu chini ya uso wa kioo kuu. Katika mchakato huu, ions huwekwa kwa nishati ya kutosha na kipimo ndani ya nyenzo ili kuunda safu ya awamu ya pili, na hali ya joto inadhibitiwa ili muundo unaolengwa usiangamizwe. Mwelekeo wa kioo wa safu unaweza kutengenezwa ili kuendana na madhumuni, hata kama kimiani halisi kinaweza kuwa tofauti sana. Kwa mfano, baada ya kupandikiza ioni za nikeli kwenye kaki ya silicon, safu ya silicide inaweza kukuzwa ambapo mwelekeo wa kioo unalingana na ule wa silicon.

Ombi la Kumaliza Metal

Nitrojeni au ayoni zingine zinaweza kupandikizwa kwenye shabaha ya chuma (kama vile kuchimba). Mabadiliko ya muundo huchochea mgandamizo wa uso katika nyenzo, ambayo huzuia uenezi wa nyufa na hivyo kuifanya kustahimili kuvunjika.

Maisha ya uso

Katika baadhi ya programu, kwa mfano kwa viungo bandia kama vile viungio bandia, inashauriwa kuwa na shabaha ambayo ni sugu kwa kutu na uchakavu wa kemikali kutokana na msuguano. Uingizaji wa ion hutumiwa kuunda nyuso za vifaa vile kwa utendaji wa kuaminika zaidi. Kama ilivyo kwa vyuma vya zana, urekebishaji lengwa unaosababishwa na upandikizaji wa ayoni hujumuisha mgandamizo wa uso ili kuzuia uenezaji wa nyufa na mgao ili kuifanya kustahimili kutu zaidi kwa kemikali.

Nyinginemaombi

Upandikizaji unaweza kutumika kufanikisha uchanganyaji wa mihimili ya ioni, yaani, uchanganyaji wa atomi za vipengee tofauti kwenye kiolesura. Hii inaweza kuwa muhimu kwa kufikia nyuso zilizofuzu au kuimarisha mshikamano kati ya tabaka za nyenzo zisizoweza kuchanika.

Uundaji wa chembechembe za nano

Upandikizaji wa ioni unaweza kutumika kushawishi nyenzo za nanoscale katika oksidi kama vile samafi na dioksidi ya silicon. Atomu zinaweza kutengenezwa kutokana na kunyesha au kutengenezwa kwa vitu mchanganyiko ambavyo vina kipengele kilichopandikizwa ioni na kipande kidogo cha maji.

Nguvu za kawaida za mialo ya ioni zinazotumiwa kupata chembechembe za nanoparticles ziko katika masafa kutoka 50 hadi 150 keV, na ufasaha wa ioni ni kutoka 10-16 hadi 10-18 kV. tazama Nyenzo mbalimbali zinaweza kuundwa kwa ukubwa kutoka nm 1 hadi 20 nm na kwa vitunzi vinavyoweza kuwa na chembe zilizopandikizwa, michanganyiko inayojumuisha tu mshikamano unaofungamana na mkatetaka.

Nyenzo zenye msingi wa dielectric kama vile yakuti, ambazo zina nanoparticles zilizotawanywa za upandikizaji wa ioni ya chuma, ni nyenzo za kuleta matumaini kwa optoelectronics na optics zisizo za mstari.

Matatizo

Kila ayoni moja moja hutoa kasoro nyingi za nukta kwenye fuwele inayolengwa kutokana na athari au kati. Nafasi ni sehemu za kimiani ambazo hazijachukuliwa na atomi: katika kesi hii, ioni inagongana na atomi inayolengwa, ambayo husababisha uhamishaji wa kiwango kikubwa cha nishati kwake, ili iweze kuiacha.njama. Kitu hiki kinacholengwa chenyewe kinakuwa projectile katika mwili thabiti na kinaweza kusababisha migongano mfululizo. Maingiliano hutokea wakati chembe hizo zinasimama kwenye kitu kigumu lakini hazipati nafasi kwenye kimiani ili kuishi ndani. Kasoro hizi za nukta wakati wa upandikizaji wa ayoni zinaweza kuhama na kukusanyika, na kusababisha kutokea kwa vitanzi vya kutenganisha na matatizo mengine.

Urekebishaji

Kiasi cha uharibifu wa fuwele kinaweza kutosha kubadilisha kabisa uso unaolengwa, yaani, lazima kiwe kigumu cha amofasi. Katika baadhi ya matukio, urekebishaji kamili wa lengo ni vyema kuliko kioo kilicho na kasoro ya juu: filamu kama hiyo inaweza kukua tena kwa joto la chini kuliko inavyohitajika ili kuunganisha fuwele iliyoharibiwa sana. Amorphization ya substrate inaweza kutokea kama matokeo ya mabadiliko ya boriti. Kwa mfano, wakati wa kupandikiza ioni za yttrium kwenye yakuti kwenye nishati ya boriti ya 150 keV hadi ufasaha wa 510-16 Y+/sq. cm, safu ya vitreous takribani unene wa nm 110 huundwa, ikipimwa kutoka kwa uso wa nje.

Nyunyizia

Baadhi ya matukio ya mgongano husababisha atomi kutolewa kwenye uso, na hivyo upandikizaji wa ayoni utaondoa uso polepole. Athari inaonekana kwa dozi kubwa tu.

Chaneli ya Ion

Ikiwa muundo wa fuwele utatumika kwa lengo, haswa katika sehemu ndogo za semicondukta ambapo ni zaidi.ni wazi, basi maelekezo maalum kuacha kidogo sana kuliko wengine. Matokeo yake ni kwamba anuwai ya ayoni inaweza kuwa kubwa zaidi ikiwa inasogea kwenye njia fulani, kama vile silicon na vifaa vingine vya ujazo vya almasi. Athari hii inaitwa uelekezaji wa ioni na, kama madoido yote yanayofanana, haina mstari kwa kiasi kikubwa, ikiwa na mikengeuko midogo kutoka kwa uelekeo bora unaosababisha tofauti kubwa katika kina cha upachikaji. Kwa sababu hii, nyingi hukimbia kwa digrii chache nje ya mhimili, ambapo hitilafu ndogo za upangaji zitakuwa na athari zinazoweza kutabirika zaidi.