نظرة عامة على الزرع الأيوني

مقدمة

الغرس الأيوني هو عملية ذات درجة حرارة منخفضة يتم من خلالها تسريع أيونات عنصر واحد في هدف صلب، وبالتالي تغيير الخصائص الفيزيائية أو الكيميائية أو الكهربائية للهدف. وغالبًا ما تكون مكونات الغرس الأيوني مصنوعة من سبائك TZM والموليبدينوم والتنغستن لأن هذه المواد يمكن أن تؤدي أداءً جيدًا في البيئة القاسية.

يعد زرع الأيونات تقنية عالية مزدهرة ومستخدمة على نطاق واسع لتعديل سطح المواد في العالم منذ ما يقرب من 30 عامًا. نظرًا لمزاياها الفريدة والمتميزة، فإن التكنولوجيا العالية لها تطبيق واسع النطاق للغاية في مواد أشباه الموصلات المخدرة، وتعديل سطح المعادن والسيراميك والبوليمرات وما إلى ذلك، والتي حصلت على فائدة اقتصادية واجتماعية ضخمة.

في الصناعة الإلكترونية، أصبح الغرس الأيوني أحد تقنيات التطعيم المهمة في صناعة الإلكترونيات الدقيقة؛ كما أنه وسيلة مهمة للتحكم في جهد عتبة MOSFET. لذلك يمكن القول أن غرس الأيونات هو نوع من الوسائل التي لا غنى عنها في تصنيع الدوائر المتكاملة واسعة النطاق في العصر الحديث.

طريقة زرع الأيونات

تتسارع طريقة زرع الأيونات في الفراغ ودرجة الحرارة المنخفضة، وبالتالي يمكن أن تنتقل أيونات الشوائب ذات الطاقة الحركية مباشرة إلى أشباه الموصلات؛ وفي الوقت نفسه يمكن أن تنتج أيضًا بعض العيوب الشبكية في أشباه الموصلات، ويجب التخلص من هذه العيوب بالتلدين بدرجة حرارة منخفضة أو التلدين بالليزر بعد الحقن بالأيونات. يتوزع تركيز الشوائب في عملية الزرع الأيوني بشكل عام كتوزيع غاوسي، ولا يكون أعلى تركيز على السطح بل على عمق معين.

مزايا الغرس الأيوني

تتمثل مزايا الزرع الأيوني في قدرته على التحكم في الجرعة الإجمالية للشوائب، وتوزيع العمق وتوحيد السطح بدقة، علاوة على ذلك، يمكن لعملية درجة الحرارة المنخفضة أن تتجنب الشوائب الأصلية والانتشار، إلخ. وفي الوقت نفسه، يمكنها تحقيق هدف تطوير تقنية المحاذاة لتقليل تأثير السعة.

المبدأ العام

ما هو المبدأ العام للزرع الأيوني؟ تتكون معدات الزرع الأيوني عادةً من مصدر أيوني، حيث يتم إنتاج أيونات العنصر المطلوب، ومسرِّع، حيث يتم تسريع الأيونات كهربائياً إلى طاقة عالية، وغرفة هدف، حيث تصطدم الأيونات بالهدف، وهو المادة المراد زرعها. وبالتالي فإن زرع الأيونات هو حالة خاصة من إشعاع الجسيمات. ويكون كل أيون عادةً ذرة أو جزيء واحد، وبالتالي فإن الكمية الفعلية للمادة المزروعة في الهدف هي التكامل مع مرور الوقت للتيار الأيوني. وتسمى هذه الكمية بالجرعة. وعادةً ما تكون التيارات التي توفرها عمليات الزرع صغيرة (ميكرو أمبير)، وبالتالي فإن الجرعة التي يمكن زرعها في فترة زمنية معقولة تكون صغيرة. لذلك، يجد الزرع الأيوني تطبيقًا في الحالات التي تكون فيها كمية التغيير الكيميائي المطلوبة صغيرة.

وتحدد طاقة الأيونات، بالإضافة إلى أنواع الأيونات وتكوين الهدف، عمق اختراق الأيونات في المادة الصلبة: وعمومًا يكون لحزمة أيونية أحادية الطاقة توزيع عمق واسع. ويطلق على متوسط عمق الاختراق اسم مدى الأيونات. وفي ظل الظروف النموذجية، سيتراوح مدى الأيونات بين 10 نانومتر و1 ميكرومتر. وبالتالي، يكون الغرس الأيوني مفيدًا بشكل خاص في الحالات التي يكون فيها التغيير الكيميائي أو الهيكلي مرغوبًا فيه بالقرب من سطح الهدف. وتفقد الأيونات طاقتها تدريجياً أثناء انتقالها عبر المادة الصلبة، سواء من التصادمات العرضية مع ذرات الهدف (التي تسبب انتقالاً مفاجئاً للطاقة) أو من السحب الخفيف من تداخل مدارات الإلكترونات، وهي عملية مستمرة. ويسمى فقدان طاقة الأيونات في الهدف بالتوقف ويمكن محاكاته بطريقة تقريب التصادم الثنائي.

التطبيقات الصناعية

تم تطبيق تقنية الغرس الأيوني في العديد من مجالات الإنتاج الصناعي، من بينها صناعة المواد المعدنية وصناعة أشباه الموصلات على نطاق واسع.

* تعديل المواد المعدنية

تتمثل تقنية الغرس الأيوني المطبقة على تعديل المواد المعدنية في حقن أيونات بكمية وطاقة معينة في سطح المواد المعدنية التي تتم معالجتها بالمعالجة الحرارية أو عملية طلاء السطح لتغيير التركيب الكيميائي والبنية الفيزيائية والحالة الطورية لسطح المادة، ومن ثم يمكن تغيير الخواص الميكانيكية والكيميائية والفيزيائية للمواد. وعلى وجه التحديد، يمكن للغرس الأيوني تغيير الصوتيات والبصريات والخصائص فائقة التوصيل للمواد، وتحسين صلابة العمل ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة للمواد. في الوقت الحاضر، تم تطبيقه على توزيع المضخات الهيدروليكية الهوائية، والاقتران الدقيق لمحرك الاحتراق الداخلي، وأجزاء محرك السيارات، وأدوات القطع المصنوعة من السبائك الصلبة، والأجزاء الكبيرة الحجم المقاومة للتآكل.

* إطالة عمر خدمة القالب

كعملية جديدة لتقوية السطح، تم تطبيق الغرس الأيوني في مواد مختلفة وحقق العديد من الإنجازات. نظرًا لظروف العمل المختلفة، ظهرت العديد من أشكال الفشل في القالب من نفس المادة، ويمكن لمزايا عملية الغرس الأيوني أن تعوض هذه العيوب. وطالما أن المصمم يستخدم أجهزة مختلفة مزروعة بالأيونات لحقن عناصر مختلفة في القالب بشكل انتقائي وفقًا لأشكال الفشل المختلفة ， يمكن تحقيق هدف إطالة عمر خدمة القالب بشكل ملائم.

* صناعة أشباه الموصلات

مع تطور معدات الغرس الأيوني، تطورت تكنولوجيا الغرس الأيوني بسرعة في صناعة الدوائر المتكاملة. ونظرًا لإمكانية التحكم الجيدة في تقنية غرس الأيونات وقابلية تكرارها بشكل جيد، يمكن للمصمم تصميم توزيع مثالي للشوائب وفقًا لمتطلبات معلمات الدائرة أو الجهاز.

وعادةً ما يتضمن تصنيع جهاز كامل من أشباه الموصلات في عملية تصنيع أشباه الموصلات الحديثة العديد من الخطوات (15 إلى 25 خطوة) من عملية زرع الأيونات. وتتمثل معلمات العملية الرئيسية لزرع الأيونات في نوع الشوائب وطاقة الحقن وجرعة المنشطات. يمكن تقسيم أنواع الشوائب إلى نوع n ونوع p. ويحدد حقن الطاقة عمق ذرات الشوائب المحقونة في السيليكون، ويتم حقن الطاقة العالية بعمق، ويتم حقن الطاقة المنخفضة بخفة. ويشير حقن المنشطات إلى تركيز ذرات الشوائب، وهو ما يحدد توصيلية طبقة المنشطات. ومع التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات، تصبح عملية الوصلة فائقة الضحالة هي المفتاح، خاصة عند صنع أجهزة أشباه الموصلات تحت 65 نانومتر. تُظهر عملية غرس الأيونات، مع عمق الحقن الدقيق وإمكانية التحكم في التركيز، والتكرار المستقر، أهميتها في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة مرة أخرى.

توفر Stanford Advanced Materials (SAM) مكونات غرس أيونات مخصصة بجودة عالية وأسعار تنافسية، والتي تشمل مكونات غرس الأيونات (التنغستن)، ومكونات غرس الأيونات (الموليبدينوم)، ومكونات غرس الأيونات ( سبائك TZM )، إلخ.