Implamentacja jonowa
W Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie zbudowano źródło laserowe z unikalnym układem przyspieszania jonów do wybranej energii, który jednocześnie eliminuje zanieczyszczenia. Urządzenie wykorzystano do produkcji próbek półprzewodnika nowej generacji: warstwy krzemionki z uformowanymi nanokryształami germanu. Laserowe źródła jonów to proste urządzenia, wytwarzające jony wskutek oddziaływania skupionej wiązki laserowej z tarczą umieszczoną w komorze próżniowej. Znajdujące się w tarczy zanieczyszczenia często stwarzają problemy, ich jony mogą wraz z właściwymi jonami wpływać na próbkę. Dodatkowo impuls laserowy wyrywa z tarczy drobiny materiału, które osadzają się na próbce i zaburzają jej powierzchnię. Aby zapobiec takim efektom, zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy urządzenie do implementacji jonowej z bardzo oryginalnym elektrostatycznym układem przyspieszania jonów, mówi doktorant Marcin Rosiński z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie. W urządzeniu zbudowanym w IFPiLM impuls laserowy trwa 3,5 nanosekundy i niesie mało energii. W początkowej fazie oddziaływania z materią energia ta zwiększa energię swobodnych elektronów w tarczy i to one zaczynają jonizować atomy tarczy i jej zanieczyszczeń. Pozostała energia impulsu laserowego grzeje bezpośrednio zjonizowaną materię, co powoduje jej szybką ekspansję. Natura procesu sprawia, że wyrzucane z plazmy jony nie unoszą jednakowej energii, a więc mają szeroki rozkład energetyczny. Drobiny materiału wyrwane z tarczy pod wpływem impulsu laserowego są obojętne elektrycznie. W urządzeniu LIS z IFPiLM ekspandują bez odchylania i trafiają w przegrodę ustawioną na osi układu, przed próbką. Z kolei część jonów tarczy i zanieczyszczeń omijających przegrodę jest przyspieszana i skupiana przez pole elektryczne na osi układu za przegrodą. ?Parametry pola dobraliśmy w taki sposób, że do próbki dolatują tylko cięższe jony tarczy, o mniej więcej tej samej energii. Plamka zogniskowanej wiązki tych jonów ma średnicę około milimetra, wyjaśnia Rosiński. Zastosowany w urządzeniu niskoenergetyczny laser nie grzeje się i w kilkadziesiąt minut może wygenerować 10 tys. i więcej impulsów świetlnych.
Naukowcy mogą więc precyzyjnie kontrolować liczbę jonów docierających do próbki. Rozwiązanie zaproponowane przez naukowców z IFPiLM zostało zastosowane do badań implantacji jonów germanu w warstwie krzemionki w celu wytworzenia w niej nanokryształów germanu. Powstaje w ten sposób zmodyfikowany półprzewodnik dla nowych zastosowań w elektronice, np. związanych z dalszą miniaturyzacją układów pamięciowych i generujących światło. Aby z wprowadzonych do próbki jonów utworzyły się nanokryształy germanu, zaimplantowaną próbkę należy wygrzać w temperaturze od 600 do 1200 stopni Celsjusza. W procesie tworzą się kryształy germanu o rozmiarach od kilku do 20 nanometrów (miliardowych części metra). ?Nasze zaimplantowane próbki, po wygrzaniu, przebadaliśmy różnymi metodami w specjalistycznych laboratoriach, głównie na Uniwersytetach w Mesynie i Katanii na Sycylii. Obserwowaliśmy zarówno skutki implementacji jonów, jak i strukturę nanokrystaliczną próbek?, mówi Rosiński. "Prace nad optymalizacją naszego urządzenia pod kątem zastosowań przemysłowych zakończymy w dwa lata, ale już teraz zaczynamy szukać firm zainteresowanych wdrożeniem tej technologii", podsumowuje prof. Jerzy Wołowski, szef zespołu zajmującego się w IFPiLM badaniami i zastosowaniami oddziaływań laserów z materią.Budowę urządzenia do implantacji laserowej rozpoczęto w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy kilka lat temu w ramach europejskiego programu SEMINANO. Obecnie głównym źródłem finansowania badań jest Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. (Źródło: IFPiLM) Fot- Symulacja numeryczna torów jonów w laserowym źródle jonów, opracowanym w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie. Wiązka laserowa (na symulacji niewidoczna) trafia w tarczę po lewej (zaznaczoną na zielono). Wytwarzane laserem jony germanu są przyspieszane za pomocą pola elektrycznego i skupiane na próbce krzemionki SiO2, umieszczonej w miejscu najwększego zagęszczenia jonów (okolice położenia 220 na osi poziomej). Zanieczyszczenie osadzają się na przegrodzie umieszczonej przed próbką. (Źródło: IFPiLM)
