Jonstråleblandning
Jonstråleblandning är den atomära sammanblandning och legering som kan ske vid gränsytan som separerar två olika material under jonbestrålning. Det appliceras som en process för vidhäftning av två flerskikt, speciellt ett substrat och avsatt ytskikt. Processen involverar bombardering av skiktade prover med doser av jonstrålning för att främja blandning vid gränsytan, och fungerar i allmänhet som ett sätt att förbereda elektriska förbindelser, särskilt mellan icke-jämvikts- eller metastabila legeringar och intermetalliska föreningar. Jonimplantationsutrustning kan användas för att uppnå jonstråleblandning.
Mekanism
De unika effekterna som härrör från jonstråleblandning är främst ett resultat av ballistiska effekter; det vill säga att träffande joner har höga kinetiska energier som överförs till målatomer vid kollision. Jonenergier kan ses i storleksordningen 1 k eV till 200 keV. När de accelereras är sådana jonenergier tillräckligt höga för att bryta intra- och särskilt intermolekylära bindningar och initiera omlokaliseringar inom ett atomgitter . Sekvensen av kollisioner är känd som en kollisionskaskad . Under denna ballistiska process förskjuter energier från träffande joner atomer och elektroner i målmaterialet flera gitterplatser bort, vilket resulterar i omlokaliseringar dit och gränssnittsblandning vid gränsskiktet. (Observera att energierna måste vara tillräckligt höga för att gitteromläggningarna ska vara permanenta snarare än att manifesteras som enbart vibrationsreaktioner på den infallande strålningen, dvs. de kinetiska energierna måste ligga över materialets tröskelförskjutningsenergi.) Om energierna hålls tillräckligt hög i dessa kärnkraftskollisioner, jämfört med traditionella implantationsprocesser med höga doser, producerar ballistisk jonimplantation högre intrafilmlegeringskoncentrationer vid lägre doser av bestrålning jämfört med konventionella implantationsprocesser.
Analys
Graden av blandning av en film skalar med jonmassan, med intensiteten av en given infallande jonstråle, och med varaktigheten av jonstrålens inverkan på ett mål. Mängden blandning är proportionell mot kvadratrötterna av tid, massa och jondos.
Vid temperaturer under 100 °C för de flesta implanterade material är jonstråleblandning väsentligen oberoende av temperaturen, men när temperaturen ökar bortom den punkten ökar blandningen exponentiellt med temperaturen. Detta temperaturberoende är en manifestation av infallande jonstrålar som effektivt överför den målartberoende aktiveringsenergin till barriärskiktet.
Ballistisk jonstråleblandning kan klassificeras i två grundläggande undertyper, rekylblandning och kaskadblandning, som sker samtidigt som ett resultat av jonbombardemang. Vid rekylblandning flyttas atomer genom enstaka kollisionshändelser . Rekylblandning ses övervägande i stora vinklar som ett resultat av mjuka kollisioner, där antalet atomer som genomgår rekylimplantation varierar linjärt med jondosen. Rekylimplantation är dock inte den dominerande processen vid jonstråleblandning. De flesta omlokaliserade atomer är en del av en kollisionskaskad där rekylerade atomer initierar en serie av lägre energigitterförskjutningar, vilket kallas för kaskadblandning. Jonstråleblandning kan förbättras ytterligare genom värmespetseffekter
Jonblandning (IM) liknar i huvudsak interdiffusion, varför de flesta modeller av jonblandning involverar en effektiv diffusionskoefficient som används för att karakterisera tjockleken på det reagerade lagret som en funktion av jonstråleimplantation över en tidsperiod.
Diffusionsmodellen tar inte hänsyn till blandbarheten av substrat och skikt, så för oblandbara eller lågblandbara system kommer den att överskatta graden av blandning, medan för mycket blandbara system kommer modellen att underskatta graden av blandning. Termodynamiska effekter beaktas inte heller i denna grundläggande interdiffusionsekvation, utan kan modelleras genom ekvationer som tar hänsyn till blandningens entalpier och molfraktionerna av målarten, och man kan därigenom utveckla en termodynamisk effektiv diffusionskoefficient som reflekterar temperatureffekter (som blir uttalade vid höga temperaturer).
Fördelar och nackdelar
Fördelarna med jonstråleblandning som ett sätt för syntes jämfört med traditionella implantationssätt inkluderar processens förmåga att producera material med höga koncentrationer av lösta ämnen med användning av lägre mängder bestrålning, och bättre kontroll av bandgapvariation och diffusion mellan skikt. Kostnaden för IM är också mindre oöverkomlig än för andra metoder för filmberedning på substrat, såsom kemisk ångavsättning (CVD) och molekylär strålepitaxi (MBE).
Nackdelar inkluderar oförmågan att helt styra och kontrollera gitterförskjutningar som initieras i processen, vilket kan resultera i en oönskad grad av oordning i jonblandade prover, vilket gör dem olämpliga för tillämpningar där exakta gitterordningar är av största vikt. Jonstrålar kan inte riktas perfekt och inte heller kollisionskaskaden kontrolleras, när IM-effekter fortplantar sig, vilket kan resultera i läckage, elektrondiffraktion , strålningsförstärkt diffusion (RED), kemisk migration och missanpassning. Dessutom måste alla jonblandade prover härdas.