आयन आरोपण
आयन आरोपण एक निम्न-तापमान प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक तत्व के आयन (भौतिकी) को एक ठोस लक्ष्य में त्वरित किया जाता है, जिससे लक्ष्य के भौतिक, रासायनिक या विद्युत गुणों में परिवर्तन होता है। आयन इम्प्लांटेशन का उपयोग फैब्रिकेशन (सेमीकंडक्टर) और मेटल फिनिशिंग के साथ-साथ सामग्री विज्ञान अनुसंधान में किया जाता है। यदि वे रुकते हैं और लक्ष्य में बने रहते हैं तो आयन लक्ष्य की मौलिक संरचना को बदल सकते हैं (यदि आयन लक्ष्य से संरचना में भिन्न होते हैं)। जब आयन उच्च ऊर्जा पर लक्ष्य से टकराते हैं तो आयन आरोपण भी रासायनिक और भौतिक परिवर्तन का कारण बनता है। ऊर्जावान टक्कर कैस्केड द्वारा लक्ष्य की क्रिस्टल संरचना को क्षतिग्रस्त या नष्ट भी किया जा सकता है, और पर्याप्त उच्च ऊर्जा (10s MeV) के आयन परमाणु रूपांतरण का कारण बन सकते हैं।
सामान्य सिद्धांत
आयन आरोपण उपकरण में आमतौर पर एक आयन स्रोत होता है, जहां वांछित तत्व के आयन उत्पन्न होते हैं, एक कण त्वरक, जहां आयन इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से एक उच्च ऊर्जा के लिए त्वरित होते हैं, और एक लक्ष्य कक्ष, जहां आयन एक लक्ष्य पर टकराते हैं, जो कि प्रत्यारोपित की जाने वाली सामग्री। इस प्रकार आयन आरोपण कण विकिरण का एक विशेष मामला है। प्रत्येक आयन आम तौर पर एक एकल परमाणु या अणु होता है, और इस प्रकार लक्ष्य में प्रत्यारोपित सामग्री की वास्तविक मात्रा आयन वर्तमान के समय के साथ अभिन्न होती है। इस मात्रा को खुराक कहा जाता है। प्रत्यारोपण द्वारा आपूर्ति की जाने वाली धाराएं आमतौर पर छोटी (माइक्रो-एम्पीयर) होती हैं, और इस प्रकार उचित मात्रा में प्रत्यारोपित की जा सकने वाली खुराक कम होती है। इसलिए, आयन आरोपण उन मामलों में उपयोग पाता है जहां आवश्यक रासायनिक परिवर्तन की मात्रा कम होती है।
विशिष्ट आयन ऊर्जा 10 से 500 इलेक्ट्रॉनवोल्ट (1,600 से 80,000 aJ) की सीमा में होती है। 1 से 10 keV (160 से 1,600 aJ) की सीमा में ऊर्जा का उपयोग किया जा सकता है, लेकिन परिणाम केवल कुछ नैनोमीटर या उससे कम के प्रवेश में होता है। इस परिणाम से कम ऊर्जा लक्ष्य को बहुत कम नुकसान पहुंचाती है, और पदनाम आयन बीम जमाव के अंतर्गत आती है। उच्च ऊर्जा का भी उपयोग किया जा सकता है: 5 MeV (800,000 aJ) की क्षमता वाले त्वरक आम हैं। हालांकि, लक्ष्य को अक्सर बड़ी संरचनात्मक क्षति होती है, और क्योंकि गहराई वितरण व्यापक है (ब्रैग पीक), लक्ष्य में किसी भी बिंदु पर शुद्ध संरचना परिवर्तन छोटा होगा।
आयनों की ऊर्जा, साथ ही आयन प्रजातियां और लक्ष्य की संरचना ठोस में आयनों के प्रवेश की गहराई को निर्धारित करती है: एक मोनोएनर्जेटिक आयन बीम में आम तौर पर व्यापक गहराई वितरण होता है। प्रवेश की औसत गहराई को आयनों की श्रेणी कहा जाता है। विशिष्ट परिस्थितियों में आयन की सीमा 10 नैनोमीटर और 1 माइक्रोमीटर के बीच होगी। इस प्रकार, आयन आरोपण उन मामलों में विशेष रूप से उपयोगी होता है जहां रासायनिक या संरचनात्मक परिवर्तन लक्ष्य की सतह के निकट होना वांछित होता है। आयन धीरे-धीरे अपनी ऊर्जा खो देते हैं क्योंकि वे ठोस के माध्यम से यात्रा करते हैं, दोनों कभी-कभी लक्ष्य परमाणुओं के साथ टकराव से (जो अचानक ऊर्जा हस्तांतरण का कारण बनते हैं) और इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स के ओवरलैप से हल्के ड्रैग से, जो एक सतत प्रक्रिया है। लक्ष्य में आयन ऊर्जा के नुकसान को स्टॉपिंग पावर (कण विकिरण) कहा जाता है और बाइनरी टक्कर सन्निकटन विधि के साथ अनुकरण किया जा सकता है।
आयन आरोपण के लिए त्वरक प्रणाली को आम तौर पर मध्यम धारा (10 μA और ~2 mA के बीच आयन बीम धारा), उच्च धारा (~30 mA तक आयन बीम धारा), उच्च ऊर्जा (200 keV से ऊपर और 10 MeV तक आयन ऊर्जा) में वर्गीकृत किया जाता है। ), और बहुत अधिक खुराक (10 से अधिक खुराक का कुशल प्रत्यारोपण16 आयन/सेमी2).[1]
आयन स्रोत
आयन इम्प्लांटेशन बीमलाइन डिज़ाइन की सभी किस्मों में कार्यात्मक घटकों के सामान्य समूह होते हैं (चित्र देखें)। आयन बीमलाइन के पहले प्रमुख खंड में आयन प्रजाति उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाने वाला आयन स्रोत शामिल है। स्रोत बीमलाइन में आयनों के निष्कर्षण के लिए पक्षपाती इलेक्ट्रोड के साथ निकटता से जुड़ा हुआ है और मुख्य त्वरक अनुभाग में परिवहन के लिए एक विशेष आयन प्रजातियों का चयन करने के कुछ साधनों के लिए अक्सर होता है।
बड़े पैमाने पर चयन (मास स्पेक्ट्रोमेट्री की तरह) अक्सर एक चुंबकीय क्षेत्र क्षेत्र के माध्यम से निकाले गए आयन बीम के पारित होने के साथ होता है, जिसमें एपर्चर, या स्लिट्स को अवरुद्ध करके बाहर निकलने का रास्ता होता है, जो द्रव्यमान के उत्पाद के विशिष्ट मूल्य के साथ केवल आयनों को अनुमति देता है। और वेग/चार्ज बीमलाइन के नीचे जारी रखने के लिए। यदि लक्ष्य सतह आयन बीम व्यास से बड़ी है और लक्षित सतह पर प्रत्यारोपित खुराक का एक समान वितरण वांछित है, तो बीम स्कैनिंग और वेफर गति के कुछ संयोजन का उपयोग किया जाता है। अंत में, प्रत्यारोपित सतह को प्रत्यारोपित आयनों के संचित चार्ज को इकट्ठा करने के लिए कुछ विधि के साथ जोड़ा जाता है ताकि वितरित खुराक को निरंतर फैशन में मापा जा सके और वांछित खुराक स्तर पर प्रत्यारोपण प्रक्रिया बंद हो जाए।[2]
== सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन == में आवेदन
डोपिंग
बोरॉन, फॉस्फोरस या आर्सेनिक के साथ डोपिंग (सेमीकंडक्टर) आयन आरोपण का एक सामान्य अनुप्रयोग है। सेमीकंडक्टर में लगाए जाने पर, प्रत्येक डोपेंट परमाणु फर्नेस एनील के बाद सेमीकंडक्टर में चार्ज वाहक बना सकता है। पी-टाइप सेमीकंडक्टर | पी-टाइप डोपेंट के लिए एक इलेक्ट्रॉन छेद बनाया जा सकता है, और एन-टाइप सेमीकंडक्टर के लिए एक इलेक्ट्रॉन। एन-टाइप डोपेंट। यह इसके आसपास के क्षेत्र में अर्धचालक की चालकता को संशोधित करता है। तकनीक का उपयोग, उदाहरण के लिए, एक MOSFET के दहलीज वोल्टेज को समायोजित करने के लिए किया जाता है।
आयन आरोपण को 1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में फोटोवोल्टिक उपकरणों के p-n जंक्शन के उत्पादन की एक विधि के रूप में विकसित किया गया था।[3] तेजी से एनीलिंग के लिए स्पंदित-इलेक्ट्रॉन बीम के उपयोग के साथ-साथ,[4] हालांकि तेजी से एनीलिंग के लिए स्पंदित-इलेक्ट्रॉन बीम का व्यावसायिक उत्पादन के लिए आज तक उपयोग नहीं किया गया है।
इन्सुलेटर पर सिलिकॉन
पारंपरिक सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स से इंसुलेटर (SOI) सबस्ट्रेट्स पर सिलिकॉन तैयार करने की एक प्रमुख विधि SIMOX (ऑक्सीजन के आरोपण द्वारा पृथक्करण) प्रक्रिया है, जिसमें एक दफन उच्च खुराक ऑक्सीजन इम्प्लांट को उच्च तापमान एनीलिंग (धातुकर्म) प्रक्रिया द्वारा सिलिकॉन ऑक्साइड में परिवर्तित किया जाता है।
मेसोटैक्सी
मेसोटैक्सी, मेजबान क्रिस्टल की सतह के नीचे एक क्रिस्टलोग्राफिक रूप से मिलान चरण के विकास के लिए शब्द है (एपिटाक्सी की तुलना में, जो एक सब्सट्रेट की सतह पर मिलान चरण की वृद्धि है)। इस प्रक्रिया में, आयनों को एक उच्च पर्याप्त ऊर्जा पर प्रत्यारोपित किया जाता है और दूसरे चरण की परत बनाने के लिए एक सामग्री में डाला जाता है, और तापमान को नियंत्रित किया जाता है ताकि लक्ष्य की क्रिस्टल संरचना नष्ट न हो। परत के क्रिस्टल अभिविन्यास को लक्ष्य से मेल खाने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है, भले ही सटीक क्रिस्टल संरचना और जाली स्थिरांक बहुत भिन्न हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक सिलिकॉन वेफर में निकेल आयनों के आरोपण के बाद, निकल सिलिसाइड की एक परत उगाई जा सकती है जिसमें सिलिसाइड का क्रिस्टल ओरिएंटेशन सिलिकॉन से मेल खाता है।
धातु परिष्करण में आवेदन
टूल स्टील सख्त
नाइट्रोजन या अन्य आयनों को टूल स्टील लक्ष्य (उदाहरण के लिए ड्रिल बिट्स) में प्रत्यारोपित किया जा सकता है। इम्प्लांटेशन के कारण होने वाला संरचनात्मक परिवर्तन स्टील में एक सतह संपीड़न पैदा करता है, जो दरार प्रसार को रोकता है और इस प्रकार सामग्री को फ्रैक्चर के लिए अधिक प्रतिरोधी बनाता है। रासायनिक परिवर्तन भी उपकरण को जंग के प्रति अधिक प्रतिरोधी बना सकता है।
भूतल परिष्करण
कुछ अनुप्रयोगों में, उदाहरण के लिए कृत्रिम जोड़ जैसे कृत्रिम उपकरण, सतहों को रासायनिक जंग और घर्षण के कारण पहनने दोनों के लिए बहुत प्रतिरोधी होना वांछित है। ऐसे मामलों में अधिक विश्वसनीय प्रदर्शन के लिए ऐसे उपकरणों की सतहों को इंजीनियर करने के लिए आयन इम्प्लांटेशन का उपयोग किया जाता है। उपकरण स्टील्स के मामले में, आयन आरोपण के कारण होने वाले सतह संशोधन में सतह संपीड़न दोनों शामिल हैं जो दरार प्रसार को रोकता है और सतह के मिश्र धातु को जंग के लिए अधिक रासायनिक प्रतिरोधी बनाता है।
अन्य अनुप्रयोग
आयन बीम मिश्रण
आयन बीम मिश्रण को प्राप्त करने के लिए आयन इम्प्लांटेशन का उपयोग किया जा सकता है, यानी एक इंटरफ़ेस पर विभिन्न तत्वों के परमाणुओं को मिलाकर। यह वर्गीकृत इंटरफेस को प्राप्त करने या अमिश्रणीय सामग्रियों की परतों के बीच आसंजन को मजबूत करने के लिए उपयोगी हो सकता है।
आयन आरोपण-प्रेरित नैनोकण निर्माण
नीलम और सिलिका जैसे ऑक्साइड में नैनो-आयामी कणों को प्रेरित करने के लिए आयन आरोपण का उपयोग किया जा सकता है। आयन प्रत्यारोपित प्रजातियों की वर्षा के परिणामस्वरूप कण बन सकते हैं, वे मिश्रित ऑक्साइड प्रजातियों के उत्पादन के परिणामस्वरूप बन सकते हैं जिनमें आयन-प्रत्यारोपित तत्व और ऑक्साइड सब्सट्रेट दोनों होते हैं, और वे इस रूप में बन सकते हैं सब्सट्रेट की कमी के परिणामस्वरूप, सबसे पहले हंट और हैम्पिकियन द्वारा रिपोर्ट किया गया।[5][6][7] विशिष्ट आयन बीम ऊर्जा का उपयोग 50 से 150 केवी तक नैनोकणों के उत्पादन के लिए किया जाता है, जिसमें आयन प्रवाह 10 से लेकर होता है।16 से 1018 आयन/सेमी2</उप>।[8][9][10][11][12][13][14][15][16] नीचे दी गई तालिका नीलमणि सब्सट्रेट के लिए इस क्षेत्र में किए गए कुछ कार्यों को सारांशित करती है। नैनोकणों की एक विस्तृत विविधता बनाई जा सकती है, जिनका आकार 1 एनएम से 20 एनएम तक होता है और ऐसी रचनाओं के साथ जिनमें प्रत्यारोपित प्रजातियां, प्रत्यारोपित आयन और सब्सट्रेट के संयोजन शामिल हो सकते हैं, या जो पूरी तरह से सब्सट्रेट से जुड़े कटियन से बने होते हैं .
डाइलेक्ट्रिक्स पर आधारित समग्र सामग्री जैसे नीलम जिसमें फैले हुए धातु नैनोकण होते हैं, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के लिए आशाजनक सामग्री हैं।[12]
Implanted Species | Substrate | Ion Beam Energy (keV) | Fluence (ions/cm2) | Post Implantation Heat Treatment | Result | Source | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Produces Oxides that Contain the Implanted Ion | Co | Al2O3 | 65 | 5*1017 | Annealing at 1400 °C | Forms Al2CoO4 spinel | [8] |
Co | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | Annealing at 1000 °C in oxidizing ambient | Forms Al2CoO4 spinel | [9] | |
Mg | Al2O3 | 150 | 5*1016 | --- | Forms MgAl2O4 platelets | [5] | |
Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | Annealing in O2 atmosphere at 1000 °C for 1 hr | 30 nm SnO2 nanoparticles form | [16] | |
Zn | α-Al2O3 | 48 | 1*1017 | Annealing in O2 atmosphere at 600 °C | ZnO nanoparticles form | [10] | |
Zr | Al2O3 | 65 | 5*1017 | Annealing at 1400 °C | ZrO2 precipitates form | [8] | |
Produces Metallic Nanoparticles from Implanted Species | Ag | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | Annealing from 600 °C to 1100 °C in oxidizing, reducing, Ar or N2 atmospheres | Ag nanoparticles in Al2O3 matrix | [11] |
Au | α-Al2O3 | 160 | 0.6*1017, 1*1016 | 1 hr at 800 °C in air | Au nanoparticles in Al2O3 matrix | [12] | |
Au | α-Al2O3 | 1500, 2000 | 2*1016, 8*1016 | Annealing from 600 °C to 1100 °C in oxidizing, reducing, Ar or N2 atmospheres | Au nanoparticles in Al2O3 matrix | [11] | |
Co | α-Al2O3 | 150 | <5*1016 | Annealing at 1000 °C | Co nanoparticles in Al2O3 matrix | [9] | |
Co | α-Al2O3 | 150 | 2*1017 | Annealing at 1000 °C in reducing ambient | Precipitation of metallic Co | [9] | |
Fe | α-Al2O3 | 160 | 1*1016 to 2*1017 | Annealing for 1 hr from 700 °C to 1500 °C in reducing ambient | Fe nanocomposites | [13] | |
Ni | α-Al2O3 | 64 | 1*1017 | --- | 1-5 nm Ni nanoparticles | [14] | |
Si | α-Al2O3 | 50 | 2*1016, 8*1016 | Annealing at 500 °C or 1000 °C for 30 min | Si nanoparticles in Al2O3 | [15] | |
Sn | α-Al2O3 | 60 | 1*1017 | --- | 15 nm tetragonal Sn nanoparticles | [16] | |
Ti | α-Al2O3 | 100 | <5*1016 | Annealing at 1000 °C | Ti nanoparticles in Al2O3 | [9] | |
Produces Metallic Nanoparticles from Substrate | Ca | Al2O3 | 150 | 5*1016 | --- | Al nanoparticles in amorphous matrix containing Al2O3 and CaO | [5] |
Y | Al2O3 | 150 | 5*1016 | --- | 10.7± 1.8 nm Al particles in amorphous matrix containing Al2O3 and Y2O3 | [5] | |
Y | Al2O3 | 150 | 2.5*1016 | --- | 9.0± 1.2 nm Al particles in amorphous matrix containing Al2O3 and Y2O3 | [6] |
आयन आरोपण के साथ समस्याएं
क्रिस्टलोग्राफिक क्षति
प्रत्येक व्यक्तिगत आयन रिक्तियों और अंतरालीय जैसे प्रभाव पर लक्ष्य क्रिस्टल में कई क्रिस्टलोग्राफिक दोष पैदा करता है। रिक्तियां एक परमाणु द्वारा रिक्त क्रिस्टल जाली बिंदु हैं: इस मामले में आयन एक लक्षित परमाणु से टकराता है, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा लक्ष्य परमाणु में स्थानांतरित हो जाती है जैसे कि यह अपनी क्रिस्टल साइट को छोड़ देता है। यह लक्ष्य परमाणु तब स्वयं ठोस में एक प्रक्षेप्य बन जाता है, और टक्कर कैस्केड का कारण बन सकता है। अंतरालीय परिणाम तब होते हैं जब ऐसे परमाणु (या मूल आयन स्वयं) ठोस में आराम करने के लिए आते हैं, लेकिन रहने के लिए जाली में कोई रिक्त स्थान नहीं पाते हैं। ये बिंदु दोष एक दूसरे के साथ माइग्रेट और क्लस्टर कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अव्यवस्था लूप और अन्य दोष होते हैं।
क्षति वसूली
क्योंकि आयन आरोपण लक्ष्य की क्रिस्टल संरचना को नुकसान पहुंचाता है जो अक्सर अवांछित होता है, आयन आरोपण प्रसंस्करण अक्सर थर्मल एनीलिंग द्वारा किया जाता है। इसे क्षति वसूली के रूप में संदर्भित किया जा सकता है।
अरूपीकरण
क्रिस्टलोग्राफिक क्षति की मात्रा लक्ष्य की सतह को पूरी तरह से अमोर्फाइज करने के लिए पर्याप्त हो सकती है: यानी यह एक अनाकार ठोस बन सकता है (पिघलने से उत्पन्न ठोस को ग्लास कहा जाता है)। कुछ मामलों में, अत्यधिक दोषपूर्ण क्रिस्टल के लिए एक लक्ष्य का पूर्ण अनाकारीकरण बेहतर होता है: अत्यधिक क्षतिग्रस्त क्रिस्टल को नष्ट करने के लिए एक अरूपित फिल्म को कम तापमान पर फिर से उगाया जा सकता है। बीम क्षति के परिणामस्वरूप सब्सट्रेट का अनाकारीकरण हो सकता है। उदाहरण के लिए, 5 * 10 के प्रवाह के लिए 150 केवी की आयन बीम ऊर्जा पर नीलम में येट्रियम आयन आरोपण16 और+/सेमी2 बाहरी सतह से मापी गई मोटाई में लगभग 110 एनएम की कांच जैसी परत बनाता है। [हंट, 1999]
स्पटरिंग
टकराव की कुछ घटनाओं के परिणामस्वरूप परमाणु सतह से बाहर निकल जाते हैं (स्पटरिंग), और इस प्रकार आयन आरोपण धीरे-धीरे एक सतह को खोद देगा। प्रभाव केवल बहुत बड़ी खुराक के लिए सराहनीय है।
आयन चैनलिंग
यदि लक्ष्य के लिए एक क्रिस्टलोग्राफिक संरचना है, और विशेष रूप से सेमीकंडक्टर सबस्ट्रेट्स में जहां क्रिस्टल संरचना अधिक खुली है, तो विशेष क्रिस्टलोग्राफिक दिशाएं अन्य दिशाओं की तुलना में बहुत कम रोक देती हैं। नतीजा यह है कि आयन की सीमा बहुत अधिक हो सकती है यदि आयन एक विशेष दिशा के साथ यात्रा करता है, उदाहरण के लिए <110> सिलिकॉन और अन्य हीरे घन सामग्री में दिशा।[17] इस प्रभाव को आयन चैनलिंग कहा जाता है, और, सभी चैनलिंग (भौतिकी) प्रभावों की तरह, अत्यधिक अरेखीय होता है, जिसमें पूर्ण अभिविन्यास से छोटे बदलाव होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आरोपण की गहराई में अत्यधिक अंतर होता है। इस कारण से, अधिकांश आरोपण अक्ष से कुछ डिग्री दूर किया जाता है, जहां छोटे संरेखण त्रुटियों के अधिक अनुमानित प्रभाव होंगे।
रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग और संबंधित तकनीकों में क्रिस्टलीय पतली फिल्म सामग्री में क्षति की मात्रा और गहराई प्रोफ़ाइल को निर्धारित करने के लिए एक विश्लेषणात्मक विधि के रूप में आयन चैनलिंग का सीधे उपयोग किया जा सकता है।
सुरक्षा
खतरनाक सामग्री
वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) के निर्माण में, आयन इम्प्लांटर प्रक्रिया में अक्सर आर्सिन और फॉस्फीन जैसी जहरीली सामग्री का उपयोग किया जाता है। अन्य आम कार्सिनोजेनिक, जंग, ज्वलनशील या जहरीले तत्वों में सुरमा, आर्सेनिक, फास्फोरस और बोरान शामिल हैं। सेमीकंडक्टर निर्माण सुविधाएं अत्यधिक स्वचालित हैं, लेकिन मशीनों में खतरनाक तत्वों के अवशेष सर्विसिंग के दौरान और वैक्यूम पंप हार्डवेयर में पाए जा सकते हैं।
उच्च वोल्टेज और कण त्वरक
आयन आरोपण के लिए आवश्यक आयन त्वरक में उपयोग की जाने वाली उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति विद्युत चोट का जोखिम पैदा कर सकती है। इसके अलावा, उच्च-ऊर्जा परमाणु टकराव एक्स-रे और कुछ मामलों में, अन्य आयनकारी विकिरण और रेडियोन्यूक्लाइड उत्पन्न कर सकते हैं। उच्च वोल्टेज के अलावा, कण त्वरक जैसे रेडियो आवृत्ति रैखिक कण त्वरक और लेजर प्लाज्मा त्वरण अन्य खतरे पेश करते हैं।
यह भी देखें
- रोकना और पदार्थ में आयनों की सीमा
संदर्भ
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- Created On 09/12/2022