Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) - введение примесных атомов в твёрдое тело бомбардировкой его поверхности ускоренными ионами. При ионной бомбардировке мишени наряду с процессами распыления поверхности, ионно-ионной эмиссии, образования радиационных дефектов и др. происходит проникновение ионов в глубь мишени. Внедрение ионов становится существенным при энергии ионов E>1 кэВ. Движущиеся частицы в результате многократных столкновений постепенно теряют энергию, рассеиваются и в конечном итоге либо отражаются назад, либо останавливаются, распределяясь по глубине. Энергетич. потери обусловлены как взаимодействием с электронами мишени (неупругие столкновения), так и парными ядерными (упругими) столкновениями, при к-рых энергия передаётся атомам мишени в целом и резко изменяется направление движения частицы. При высоких энергиях и малых прицельных параметрах ядра сталкивающихся частиц сближаются на расстояния, меньшие радиусов электронных орбит, и их взаимодействие описывается кулоновским потенциалом. При низких энергиях существенно экранирование ядер электронами и потенциал взаимодействия:

где Z₁, Z₂ - ат. номера иона и атома мишени, r - расстояние между ядрами, а - параметр экранирования, Ф(r/а) - функция экранирования. В нек-ром приближении можно раздельно рассматривать взаимодействие движущегося иона с электронами (свободными и на внеш. оболочках атомов) и взаимодействие между ядрами иона и атома мишени, считая оба механизма потерь аддитивными, а среду однородной и изотропной (теория Линдхарда - Шарфа - Шиотта, ЛШШ). Если ввести приведённую безразмерную энергию ионов

и приведённый безразмерный пробег

где E' и R - энергия и пробег иона; M₁, M₂ - массы (в а. е. м.) бомбардирующего иона (1) и атомов мишени (2); n₀ - концентрация атомов мишени, то удельные потери энергии

В теории ЛШШ Ф(r/а) - функция Томаса -Ферми с параметром экранирования а=0,885

(см. Плазма твёрдых тел). Удельные потери в упругих столкновениях (dE/dr)_n проходят через максимум

Рис. 1. Зависимости удельных потерь энергии dE/dp от E^1/2 по теории ЛШШ: 1 - упругие потери; 2,3 - неупругие потери энергии для К=0,1 и К= 0,25.

и убывают с ростом E (кривая 1, рис. 1). Удельные потери в неупругих столкновениях

Для большинства комбинаций ион - атом мишени К, лежит в интервале 0,1-0,25 (кривые 2 и 3, рис. 1). При очень больших скоростях v (

) теория ЛШШ неприменима, а при

ион движется в мишени как голое ядро и удельные потери энергии убывают с дальнейшим её ростом. Теория ЛШШ даёт совпадение с экспериментом, как правило, с точностью не хуже 30%. Обнаруженные осцилляции электронных потерь в зависимости от Z₁и Z₂ описываются более совершенной теорией, использующей волновые функции Хартри - Фока - Слэтера.

Траектория иона представляет собой сложную ломаную линию, состоящую из отрезков пути между элементарными актами рассеяния на большие углы. В первом приближении траекторный пробег для частицы с нач. энергией E₀ равен:

Важными характеристиками процесса И. и. являются т. н. проективный пробег иона R_пр - проекция траекторного пробега на направление первонач. движения частицы, а также распределение имплантированных атомов по R_пр, т. е. по глубине х (при бомбардировке по нормали к поверхности мишени). Распределение по x частиц, имплантированных в аморфную мишень, характеризуется ср. пробегом

, среднеквадратичным разбросом пробегов

и параметром S_k, определяющим асимметрию распределения Пирсона (рис. 2). Величины

, DR_пр и S_k зависят от М₁, М₂и E₀ (рис. 3). При S_k=0 распределение Пирсона переходит в гауссовское. При И. и. в монокристаллы распределение внедрённых частиц по глубине может видоизменяться из-за каналирования заряженных частиц. Изменяя в процессе И. и. энергию ионов, можно получить распределение внедрённой примеси по глубине желаемой формы.

Рис. 3. Зависимости параметров распределения

(a),

(б), S_k (в) ионов В, Р, As в Si от начальной энергии ионов E₀. Полное число атомов примеси N_п, к-рое может быть имплантировано в твердотельную мишень через единицу поверхности, ограничивается распылением, если коэф. распыления S (число атомов мишени, выбиваемых одним ионом) больше доли внедряющихся частиц a=l-k (k - коэф. отражения). В пренебрежении диффузией

где n_S=an₀/S - концентрация примеси у поверхности в установившемся режиме. Ф-ла (7) получена в предположении постоянства E₀ в процессе И. и. и равенства вероятностей распыления атомов матрицы и имплантированных частиц. Если S<a, концентрация имплантированных атомов будет монотонно расти с увеличением дозы ионов. Наиб, широко И. п. применяется для легирования полупроводников с целью создания р-n-переходов, гетеропереходов, низкоомных контактов. И. и. позволяет вводить примеси при низкой температуре, в том числе примеси с малым коэф. диффузии, создавать пересыщенные твёрдые растворы. И. и. обеспечивает точную дозировку вводимой примеси, высокую чистоту (сепарация пучка ионов по массам), локальность, а также возможность управления процессом с помощью электрич. и магн. полей. Для устранения образующихся при И. и. радиац. дефектов и перевода внедрённых атомов в регулярные положения используют высокотемпературный прогрев. Для создания р-n-переходов не требуется больших доз облучения. Так, при бомбардировке Si ионами Р⁺ с энергией E₀=50 кэВ,

=60 нм,

=26 нм, и уже при дозе 10¹⁵ см^-2 ср. концентрация примеси в имплантированном слое толщиной 4

достигает 10²⁰ см^-3, т. е. практически предельной концентрации, используемой в технологии. И. и. в металлы применяют с целью повышения их твёрдости, износоустойчивости, коррозионной стойкости, создания катализаторов, изменения коэф. трения и т. п. Для этого требуются дозы ~10¹⁷ -10¹⁸ ионов на см², при к-рых уже заметно распыление приповерхностного слоя. При больших дозах, когда концентрация внедрённой примеси сравнима с n₀, возможно образование новых соединений (ионный синтез). Ионная бомбардировка позволяет вводить примесь не только из пучка, но и из плёнки, предварительно нанесённой на поверхность мишени (имплантация атомов отдачи и ионное перемешивание). Бомбардировка ионами с энергией 10-200 эВ, когда SЪ1, а

~0,1-1 нм, сопровождается наращиванием имплантируемого материала. Плёнки, полученные ионным осаждением, имеют высокую плотность и хорошую адгезию к подложке.

Литература по ионной имплантации (ионному внедрению, ионному легированию)

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.