आयन आरोपण: अवधारणा, संचालन का सिद्धांत, तरीके, उद्देश्य और अनुप्रयोग

2024 लेखक: Howard Calhoun | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 10:28

आयन आरोपण एक निम्न-तापमान प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक तत्व के घटकों को एक वेफर की ठोस सतह में त्वरित किया जाता है, जिससे इसके भौतिक, रासायनिक या विद्युत गुणों में परिवर्तन होता है। इस पद्धति का उपयोग अर्धचालक उपकरणों के उत्पादन और धातु परिष्करण में, साथ ही सामग्री विज्ञान अनुसंधान में किया जाता है। घटक प्लेट की मौलिक संरचना को बदल सकते हैं यदि वे रुक जाते हैं और उसमें रहते हैं। जब परमाणु उच्च ऊर्जा वाले लक्ष्य से टकराते हैं तो आयन आरोपण भी रासायनिक और भौतिक परिवर्तन का कारण बनता है। प्लेट की क्रिस्टलीय संरचना क्षतिग्रस्त हो सकती है या यहां तक कि टकराव के ऊर्जा झरनों से नष्ट हो सकती है, और पर्याप्त उच्च ऊर्जा (10 MeV) के कण परमाणु रूपांतरण का कारण बन सकते हैं।

आयन आरोपण का सामान्य सिद्धांत

उपकरण में आमतौर पर एक स्रोत होता है जहां वांछित तत्व के परमाणु बनते हैं, एक त्वरक जहां वे इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से उच्च तक त्वरित होते हैंऊर्जा, और लक्ष्य कक्ष जहां वे लक्ष्य से टकराते हैं, जो कि सामग्री है। इस प्रकार, यह प्रक्रिया कण विकिरण का एक विशेष मामला है। प्रत्येक आयन आमतौर पर एक एकल परमाणु या अणु होता है, और इस प्रकार लक्ष्य में प्रत्यारोपित सामग्री की वास्तविक मात्रा आयन धारा का अभिन्न अंग है। इस संख्या को खुराक कहा जाता है। प्रत्यारोपण द्वारा आपूर्ति की जाने वाली धाराएं आमतौर पर छोटी (माइक्रोएम्प्स) होती हैं और इसलिए उचित समय में प्रत्यारोपित की जा सकने वाली राशि छोटी होती है। इसलिए, आयन आरोपण का उपयोग उन मामलों में किया जाता है जहां आवश्यक रासायनिक परिवर्तनों की संख्या कम होती है।

विशिष्ट आयन ऊर्जा 10 से 500 केवी (1600 से 80000 aJ) तक होती है। आयन आरोपण का उपयोग 1 से 10 केवी (160 से 1600 एजे) की सीमा में कम ऊर्जा पर किया जा सकता है, लेकिन प्रवेश केवल कुछ नैनोमीटर या उससे कम है। इसके नीचे की शक्ति से लक्ष्य को बहुत कम नुकसान होता है और आयन बीम जमाव के पदनाम के अंतर्गत आता है। और उच्च ऊर्जा का भी उपयोग किया जा सकता है: 5 MeV (800,000 aJ) में सक्षम त्वरक आम हैं। हालांकि, अक्सर लक्ष्य को बहुत अधिक संरचनात्मक क्षति होती है, और क्योंकि गहराई का वितरण चौड़ा है (ब्रैग शिखर), लक्ष्य पर किसी भी बिंदु पर संरचना में शुद्ध परिवर्तन छोटा होगा।

आयनों की ऊर्जा, साथ ही विभिन्न प्रकार के परमाणु और लक्ष्य की संरचना, एक ठोस में कणों के प्रवेश की गहराई को निर्धारित करते हैं। एक मोनोएनेरजेनिक आयन बीम में आमतौर पर व्यापक गहराई का वितरण होता है। औसत पैठ को सीमा कहा जाता है। परसामान्य परिस्थितियों में यह 10 नैनोमीटर और 1 माइक्रोमीटर के बीच होगा। इस प्रकार, कम ऊर्जा आयन आरोपण उन मामलों में विशेष रूप से उपयोगी है जहां यह वांछित है कि रासायनिक या संरचनात्मक परिवर्तन लक्ष्य सतह के पास हो। कण धीरे-धीरे अपनी ऊर्जा खो देते हैं क्योंकि वे एक ठोस से गुजरते हैं, दोनों लक्ष्य परमाणुओं के साथ यादृच्छिक टकराव से (जो अचानक ऊर्जा हस्तांतरण का कारण बनते हैं) और इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स के ओवरलैप से मामूली मंदी से, जो एक सतत प्रक्रिया है। एक लक्ष्य में आयनों की ऊर्जा हानि को स्टालिंग कहा जाता है और इसे द्विआधारी टक्कर सन्निकटन की आयन आरोपण विधि का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है।

त्वरक प्रणालियों को आम तौर पर मध्यम धारा, उच्च धारा, उच्च ऊर्जा और बहुत महत्वपूर्ण खुराक में वर्गीकृत किया जाता है।

आयन इम्प्लांटेशन बीम डिजाइन की सभी किस्मों में कार्यात्मक घटकों के कुछ सामान्य समूह होते हैं। उदाहरणों पर विचार करें। आयन आरोपण की पहली भौतिक और भौतिक-रासायनिक नींव में एक उपकरण शामिल होता है जिसे कण उत्पन्न करने के स्रोत के रूप में जाना जाता है। यह उपकरण बीम लाइन में परमाणुओं को निकालने के लिए पक्षपाती इलेक्ट्रोड के साथ निकटता से जुड़ा हुआ है और अक्सर त्वरक के मुख्य भाग में परिवहन के लिए विशिष्ट मोड का चयन करने के कुछ साधनों के साथ होता है। "द्रव्यमान" का चयन अक्सर चुंबकीय क्षेत्र के एक क्षेत्र के माध्यम से निकाले गए आयन बीम के पारित होने के साथ होता है जिसमें छेद या "स्लॉट" को अवरुद्ध करके सीमित निकास पथ होता है जो केवल आयनों को द्रव्यमान और वेग के उत्पाद के एक निश्चित मूल्य के साथ अनुमति देता है. यदि लक्ष्य सतह आयन बीम के व्यास से बड़ी है औरयदि प्रत्यारोपित खुराक उस पर अधिक समान रूप से वितरित की जाती है, तो बीम स्कैनिंग और प्लेट आंदोलन के कुछ संयोजन का उपयोग किया जाता है। अंत में, लक्ष्य को प्रत्यारोपित आयनों के संचित चार्ज को इकट्ठा करने के किसी तरीके से जोड़ा जाता है ताकि वितरित खुराक को लगातार मापा जा सके और प्रक्रिया वांछित स्तर पर रुक जाए।

अर्धचालक निर्माण में आवेदन

बोरॉन, फास्फोरस या आर्सेनिक के साथ डोपिंग इस प्रक्रिया का एक सामान्य अनुप्रयोग है। अर्धचालकों के आयन आरोपण में, प्रत्येक डोपेंट परमाणु एनीलिंग के बाद एक चार्ज वाहक बना सकता है। आप पी-टाइप डोपेंट और एन-टाइप इलेक्ट्रॉन के लिए एक छेद बना सकते हैं। यह अपने आसपास के क्षेत्र में अर्धचालक की चालकता को बदल देता है। उदाहरण के लिए, MOSFET की दहलीज को समायोजित करने के लिए तकनीक का उपयोग किया जाता है।

आयन आरोपण को 1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में फोटोवोल्टिक उपकरणों में पीएन जंक्शन प्राप्त करने की एक विधि के रूप में विकसित किया गया था, साथ ही तेजी से एनीलिंग के लिए स्पंदित इलेक्ट्रॉन बीम के उपयोग के साथ, हालांकि इसे आज तक व्यावसायीकरण नहीं किया गया है।

इन्सुलेटर पर सिलिकॉन

पारंपरिक सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स से इंसुलेटर (SOI) सबस्ट्रेट्स पर इस सामग्री के उत्पादन के लिए जाने-माने तरीकों में से एक SIMOX (ऑक्सीजन इम्प्लांटेशन द्वारा पृथक्करण) प्रक्रिया है, जिसमें उच्च-खुराक वाली हवा को एक के माध्यम से सिलिकॉन ऑक्साइड में परिवर्तित किया जाता है। उच्च तापमान annealing प्रक्रिया।

मेसोटैक्सी

यह क्रिस्टलोग्राफिक रूप से विकास के लिए शब्द हैमुख्य क्रिस्टल की सतह के नीचे संयोग चरण। इस प्रक्रिया में, आयनों को पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जा पर प्रत्यारोपित किया जाता है और दूसरे चरण की परत बनाने के लिए सामग्री में खुराक दी जाती है, और तापमान को नियंत्रित किया जाता है ताकि लक्ष्य संरचना नष्ट न हो। परत के क्रिस्टल अभिविन्यास को उद्देश्य के अनुरूप डिजाइन किया जा सकता है, भले ही सटीक जाली स्थिरांक बहुत भिन्न हो। उदाहरण के लिए, निकल आयनों को एक सिलिकॉन वेफर में प्रत्यारोपित करने के बाद, सिलिकाइड की एक परत उगाई जा सकती है जिसमें क्रिस्टल अभिविन्यास सिलिकॉन से मेल खाता है।

धातु खत्म आवेदन

नाइट्रोजन या अन्य आयनों को एक उपकरण स्टील लक्ष्य (जैसे एक ड्रिल) में प्रत्यारोपित किया जा सकता है। संरचनात्मक परिवर्तन सामग्री में सतह संपीड़न को प्रेरित करता है, जो दरार के प्रसार को रोकता है और इस प्रकार इसे फ्रैक्चर के लिए अधिक प्रतिरोधी बनाता है।

सतह खत्म

कुछ अनुप्रयोगों में, उदाहरण के लिए कृत्रिम जोड़ों जैसे कृत्रिम अंग के लिए, ऐसा लक्ष्य रखना वांछनीय है जो रासायनिक जंग और घर्षण के कारण पहनने के लिए अत्यधिक प्रतिरोधी हो। अधिक विश्वसनीय प्रदर्शन के लिए ऐसे उपकरणों की सतहों को डिजाइन करने के लिए आयन इम्प्लांटेशन का उपयोग किया जाता है। टूल स्टील्स की तरह, आयन इम्प्लांटेशन के कारण होने वाले लक्ष्य संशोधन में दरार के प्रसार को रोकने के लिए सतह का संपीड़न और इसे जंग के लिए रासायनिक रूप से अधिक प्रतिरोधी बनाने के लिए मिश्र धातु दोनों शामिल हैं।

अन्यआवेदन

इम्प्लांटेशन का उपयोग आयन बीम के मिश्रण को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, अर्थात इंटरफ़ेस पर विभिन्न तत्वों के परमाणुओं का सम्मिश्रण। यह स्नातक की गई सतहों को प्राप्त करने या अमिश्रणीय सामग्री की परतों के बीच आसंजन बढ़ाने के लिए उपयोगी हो सकता है।

नैनोकणों का निर्माण

आयन आरोपण का उपयोग नीलम और सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसे ऑक्साइड में नैनोस्केल सामग्री को प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है। परमाणु वर्षा या मिश्रित पदार्थों के निर्माण के परिणामस्वरूप बन सकते हैं जिनमें आयन-प्रत्यारोपित तत्व और एक सब्सट्रेट दोनों होते हैं।

नैनोकणों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली विशिष्ट आयन बीम ऊर्जा 50 से 150 केवी तक होती है, और आयन प्रवाह 10-16 से 10-18 केवी तक होता है। देखें 1 एनएम से 20 एनएम तक के आकार के साथ और ऐसी रचनाओं के साथ सामग्री की एक विस्तृत विविधता बनाई जा सकती है जिसमें प्रत्यारोपित कण हो सकते हैं, ऐसे संयोजन जो केवल सब्सट्रेट से बंधे हुए धनायन से बने होते हैं।

डाइलेक्ट्रिक-आधारित सामग्री जैसे नीलम, जिसमें धातु आयन आरोपण के बिखरे हुए नैनोकण होते हैं, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के लिए आशाजनक सामग्री हैं।

समस्याएं

प्रत्येक व्यक्तिगत आयन प्रभाव या अंतरालीय पर लक्ष्य क्रिस्टल में कई बिंदु दोष उत्पन्न करता है। रिक्तियां जाली बिंदु हैं जिन पर एक परमाणु का कब्जा नहीं होता है: इस मामले में, आयन लक्ष्य परमाणु से टकराता है, जिससे उसे एक महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा का हस्तांतरण होता है, जिससे वह अपनी ऊर्जा छोड़ देता है।भूखंड। यह लक्ष्य वस्तु स्वयं एक ठोस पिंड में एक प्रक्षेप्य बन जाती है और लगातार टक्करों का कारण बन सकती है। अंतर्विरोध तब होता है जब ऐसे कण किसी ठोस में रुक जाते हैं लेकिन जाली में रहने के लिए कोई खाली जगह नहीं पाते हैं। आयन आरोपण के दौरान ये बिंदु दोष एक दूसरे के साथ माइग्रेट और क्लस्टर कर सकते हैं, जिससे अव्यवस्था लूप और अन्य समस्याएं हो सकती हैं।

अमोर्फाइज़ेशन

क्रिस्टलोग्राफिक क्षति की मात्रा लक्ष्य सतह को पूरी तरह से संक्रमण करने के लिए पर्याप्त हो सकती है, अर्थात यह एक अनाकार ठोस बनना चाहिए। कुछ मामलों में, उच्च स्तर की खराबी वाले क्रिस्टल के लिए लक्ष्य का पूर्ण अमोर्फाइजेशन बेहतर होता है: ऐसी फिल्म एक गंभीर रूप से क्षतिग्रस्त क्रिस्टल को हटाने के लिए आवश्यक तापमान से कम तापमान पर फिर से बढ़ सकती है। बीम परिवर्तन के परिणामस्वरूप सब्सट्रेट का अनाकारीकरण हो सकता है। उदाहरण के लिए, जब yttrium आयनों को नीलम में 150 keV की बीम ऊर्जा पर 510-16 Y+/sq के प्रवाह तक प्रत्यारोपित किया जाता है। सेमी, एक कांच की परत लगभग 110 एनएम मोटी बनती है, जिसे बाहरी सतह से मापा जाता है।

स्प्रे

टक्कर की कुछ घटनाओं के कारण सतह से परमाणु बाहर निकल जाते हैं, और इस तरह आयन आरोपण धीरे-धीरे सतह को हटा देगा। प्रभाव केवल बहुत बड़ी खुराक के लिए ध्यान देने योग्य है।

आयन चैनल

यदि लक्ष्य पर एक क्रिस्टलोग्राफिक संरचना लागू की जाती है, विशेष रूप से अर्धचालक सबस्ट्रेट्स में जहां यह अधिक हैखुला है, तो विशिष्ट दिशाएँ दूसरों की तुलना में बहुत कम रुकती हैं। परिणाम यह है कि आयन की सीमा बहुत बड़ी हो सकती है यदि यह एक निश्चित पथ के साथ चलती है, जैसे कि सिलिकॉन और अन्य डायमंड क्यूबिक सामग्री में। इस प्रभाव को आयन चैनलिंग कहा जाता है और, सभी समान प्रभावों की तरह, अत्यधिक गैर-रैखिक है, आदर्श अभिविन्यास से छोटे विचलन के परिणामस्वरूप आरोपण गहराई में महत्वपूर्ण अंतर होता है। इस कारण से, अधिकांश कुछ डिग्री ऑफ-एक्सिस चलाते हैं, जहां छोटी संरेखण त्रुटियों का अधिक अनुमानित प्रभाव होगा।