कण क्षेपण

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कॉर्नेल नैनोस्केल विज्ञान और प्रौद्योगिकी सुविधा में एक वाणिज्यिक एजेए ओरियन स्पटरिंग सिस्टम

भौतिकी में, स्पटरिंग एक ऐसी घटना है जिसमें किसी ठोस पदार्थ के सूक्ष्म कणों को उसकी सतह से बाहर निकाल दिया जाता है, जब सामग्री पर स्वयं प्लाज्मा या गैस के ऊर्जावान कणों द्वारा बमबारी की जाती है।यह बाहरी अंतरिक्ष में स्वाभाविक रूप से होता है,और सटीक घटकों का उत्कीर्णन अवांछित स्रोत हो सकता है। हालांकि,तथ्य यह है कि यह सामग्री की अत्यंत बारीक परतों पर कार्य करने के लिए विज्ञान और उद्योग में उपयोग किया जा सकता है - जहाँ इसका उपयोग उत्कीर्णन करने, विश्लेषणात्मक तकनीकों को पूरा करने और ऑप्टिकल कोटिंग, अर्धचालक उपकरणों और नैनो प्रौद्योगिकी उत्पादों के निर्माण में  झिल्ली की  परतों को जमा करने के लिए किया जाता है। यह अर्धचालक उपकरण और नैनो प्रौद्योगिकी उत्पाद का एक भौतिक वाष्प निक्षेपण तकनीक है।[1]


भौतिकी

जब ऊर्जावान आयन मिश्रण के परमाणुओं से टकराते हैं। तो उनके बीच गति का आदान-प्रदान होता है।[2][3][4]

एक रैखिक टक्कर कैस्केड से स्पटरिंग। मोटी रेखा सतह की स्थिति को दर्शाती है, इसके नीचे सब कुछ सामग्री के अंदर परमाणु है, और पतली रेखाएं परमाणुओं के बैलिस्टिक आंदोलन पथ को शुरू से लेकर सामग्री में रुकने तक दर्शाती हैं। बैंगनी वृत्त आने वाला आयन है। लाल, नीले, हरे और पीले वृत्त क्रमशः प्राथमिक, द्वितीयक, तृतीयक और चतुर्धातुक प्रतिक्षेपों को दर्शाते हैं। दो परमाणु नमूने से बाहर निकलते हैं, यानी वे निकाले जाते हैं।

इस  घटना को आयनीकरण के रूप में जाना जाता है। ठोस लक्ष्य में टकराव होने के कारण ये आयन के समूह को बंद कर देते हैं। ऐसे आयन के समूह के कई रास्ते हो सकते हैं; जिनमे से कुछ लक्ष्य की सतह से पीछे की ओर हट जाते हैं। यदि इस टक्कर के कारण  आयन के समूह लक्ष्य की सतह तक पहुंच जाते  है, और इसकी शेष ऊर्जा लक्ष्य की सतह पर उपस्थित बाध्यकारी ऊर्जा से अधिक है, तब  एक परमाणु बाहर निकल जाता हैं। इस प्रक्रिया को प्रक्षेपण (स्पटरिंग) के रूप में जाना जाता है। यदि लक्ष्य परमाणु पैमाने पर सकरा है, तो टक्कर आयन के समूह के पीछे तक पहुंच जाती है; तब इस तरह से निकाले गए परमाणु संचरण में सतह बाध्यकारी ऊर्जा से बच जाते हैं।

लक्ष्य प्रति घटना आयन से उत्सर्जित परमाणुओं की औसत संख्या को स्पटर यील्ड कहा जाता है। स्पटर की उपज कई चीजों पर निर्भर करती हैं। वह कोण जिस पर आयन भौतिक की सतह से टकराते हैं। वे कितनी ऊर्जा से टकराते हैं, उनका द्रव्यमान, लक्ष्य परमाणुओं का द्रव्यमान और लक्ष्य की सतह बाध्यकारी ऊर्जा। यदि लक्ष्य में क्रिस्टल लैटिस संरचना है। तो सतह के संबंध में इसकी स्थूल का उन्मुखीकरण एक महत्वपूर्ण कारक है।

स्पटरिंग का कारण बनने वाले आयन विभिन्न स्रोतों से आते हैं - वे प्लाज्मा (भौतिकी), विशेष रूप से निर्मित आयन स्रोत कण त्वरक ,बाहरी स्थान (जैसे सौर हवा), या रेडियोधर्मी सामग्री (जैसे अल्फा विकिरण ) से आ सकते हैं।

चपटी लक्ष्यों के लिए कैस्केड पथ्यापथ्य नियम में स्पटरिंग का वर्णन करने के लिए एक मॉडल थॉम्पसन का विश्लेषणात्मक मॉडल है।[5] एक कलन विधि जो उच्च ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों को अलग करने सहित क्वांटम यांत्रिक निरूपण के आधार पर स्पटरिंग का अनुकरण करता है। क्रमादेश निरपेक्ष प्रतिरूपक पदार्थ में आयनों का रुकना और परास में लागू किया गया है।[6] भौतिक स्पटरिंग के एक अन्य तंत्र को "हीट भेदना स्पटरिंग" कहा जाता है। यह तब हो सकता है जब ठोस पर्याप्त सघन होता है, और आने वाला आयन काफी भारी होता है, कि टक्कर एक दूसरे के बहुत करीब होती है। इस मामले में, द्विआधारी टक्कर सन्निकटन अब मान्य नहीं है, और टकराव की प्रक्रिया को कई-निकाय प्रक्रिया के रूप में समझा जाना चाहिए। घनी टक्कर एक कोलिजन कैस्केड तीक्ष्णता स्पाइक्स (थर्मल स्पाइक्स) (जिसे थर्मल स्पाइक भी कहा जाता है) को प्रेरित करती है। जो अनिवार्य रूप से क्रिस्टल के एक छोटे हिस्से को पिघला देती है। यदि वह भाग अपनी सतह के काफी करीब है, तो सतह पर तरल प्रवाह और/या सूक्ष्म विस्फोटों के कारण बड़ी संख्या में परमाणु बाहर निकल सकते हैं।[7] भारी आयनों (जैसे Xe या Au या क्लस्टर आयनों) के लिए हीट स्पाइक स्पटरिंग सबसे महत्वपूर्ण है। जिसमें keV-MeV क्षेत्र में ऊर्जा होती है, जो कम गलनांक (Ag, Au, Pb, आदि) के साथ घनी लेकिन नरम धातुओं पर बमबारी करती है। हीट स्पाइक स्पटरिंग अक्सर ऊर्जा के साथ गैर-रैखिक रूप से बढ़ता है। और छोटे क्लस्टर आयनों के लिए 10,000 के क्रम के प्रति क्लस्टर में नाटकीय स्पटरिंग पैदावार हो सकती है।[8] ऐसी प्रक्रिया के अनुप्राणन के लिए बाहरी सम्बन्ध के अनुभाग में पुन: विस्थापन कैस्केड 1 देखें।

भौतिक स्पटरिंग में एक सुनिश्चित न्यूनतम ऊर्जा सीमा होती है, जो आयन ऊर्जा के बराबर या उससे बड़ी होती है, जिस पर आयन से लक्ष्य परमाणु में अधिकतम ऊर्जा हस्तांतरण सतह परमाणु की बाध्यकारी ऊर्जा के बराबर होता है। कहने का तात्पर्य यह है कि यह तभी हो सकता है जब कोई आयन लक्ष्य में उस ऊर्जा को स्थानांतरित करने में सक्षम हो, जो किसी परमाणु को उसकी सतह से मुक्त होने के लिए आवश्यक है।

यह प्रभाव सीमा आमतौर पर दस से सौ इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की सीमा में होती है।

वरणात्मक स्पटरिंग शुरुआत में हो सकती है जब एक बहु-घटक ठोस लक्ष्य पर बमबारी की जाती है और कोई ठोस अवस्था प्रसार नहीं होता है। यदि लक्ष्य घटकों में से एक के लिए ऊर्जा हस्तांतरण अधिक कुशल है, यह ठोस से कम मजबूती से जुड़ा हुआ है, तो यह दूसरे की तुलना में अधिक कुशलता से स्पटर करेगा। यदि एबी मिश्र धातु में घटक ए को अधिमानतः निकाल दिया जाता है, तो ठोस अभिष्ट वस्तु की सतह, लंबे समय तक बमबारी के दौरान, बी घटक में समृद्ध हो जाती है, जिससे संभावना बढ़ जाती है कि बी को इस तरह से निकाल दिया जाता है कि निकाली जाने वाली सामग्री की संरचना अंततः वापस आ जाएगी एबी में

इलेक्ट्रॉनिक स्पटरिंग

इलेक्ट्रॉनिक स्पटरिंग शब्द का अर्थ या तो ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों से प्रेरित स्पटरिंग हो सकता है (उदाहरण के लिए ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में), या बहुत उच्च ऊर्जा या अत्यधिक चार्ज भारी आयनों के कारण स्पटरिंग जो ठोस को ऊर्जा खो देता है, ज्यादातर इलेक्ट्रॉनिक स्टॉपिंग पावर (कण विकिरण) द्वारा ), जहां इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना स्पटरिंग का कारण बनती है।[9] इलेक्ट्रॉनिक स्पटरिंग इंसुलेटर (इलेक्ट्रिकल) से उच्च स्पटरिंग प्रतिफल उत्पन्न करना पैदा करता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना जो स्पटरिंग का कारण बनती है, तुरंत बुझती नहीं है, क्योंकि वे एक कंडक्टर में होंगे। इसका एक उदाहरण बृहस्पति का बर्फ से ढका चंद्रमा यूरोपा (चंद्रमा) है, जहां बृहस्पति के चुंबकमंडल से एक MeV सल्फर आयन 10,000 H तक बाहर निकल सकता है।2ओ अणु।[9]


संभावित स्पटरिंग

एक वाणिज्यिक स्पटरिंग सिस्टम

एकाधिक आवेशित प्रक्षेप्य आयनों के मामले में इलेक्ट्रॉनिक स्पटरिंग का एक विशेष रूप हो सकता है जिसे संभावित स्पटरिंग कहा जाता है।[10][11] इन मामलों में कई आवेशित आयनों में संग्रहीत स्थितिज ऊर्जा (अर्थात, अपने तटस्थ परमाणु से इस आवेश अवस्था के आयन को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक ऊर्जा) मुक्त होती है जब आयन एक ठोस सतह (खोखले परमाणु ) पर प्रभाव के दौरान पुनर्संयोजन करते हैं। यह स्पटरिंग प्रक्रिया इम्पिंगिंग आयन की चार्ज अवस्था पर देखे गए स्पटरिंग यील्ड की एक मजबूत निर्भरता की विशेषता है और पहले से ही भौतिक स्पटरिंग थ्रेशोल्ड के नीचे आयन प्रभाव ऊर्जा पर पहले से ही हो सकता है। संभावित स्पटरिंग केवल कुछ लक्षित प्रजातियों के लिए देखी गई है[12] और न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा की आवश्यकता होती है।[13]


नक़्क़ाशी और रासायनिक स्पटरिंग

अक्रिय गैस के साथ स्पटरिंग करके परमाणुओं को हटाना आयन मिलिंग मशीन या आयन नक़्क़ाशी कहलाता है।

स्पटरिंग प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (आरआईई) में भी एक भूमिका निभा सकता है, एक प्लाज्मा प्रक्रिया जो रासायनिक रूप से सक्रिय आयनों और रेडिकल्स के साथ की जाती है, जिसके लिए शुद्ध भौतिक स्पटरिंग की तुलना में स्पटरिंग उपज को काफी बढ़ाया जा सकता है। स्पटर दरों को बढ़ाने के लिए प्रतिक्रियाशील आयनों को अक्सर माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एसआईएमएस) उपकरण में उपयोग किया जाता है। स्पटरिंग एन्हांसमेंट पैदा करने वाले तंत्र को हमेशा अच्छी तरह से नहीं समझा जाता है, हालांकि सी के फ्लोरीन नक़्क़ाशी के मामले को सैद्धांतिक रूप से अच्छी तरह से तैयार किया गया है।[14] भौतिक स्पटरिंग की सीमा ऊर्जा के नीचे होने वाले स्पटरिंग को अक्सर रासायनिक स्पटरिंग भी कहा जाता है।[2][4]इस तरह के स्पटरिंग के पीछे के तंत्र को हमेशा अच्छी तरह से समझा नहीं जाता है, और रासायनिक नक़्क़ाशी से अंतर करना मुश्किल हो सकता है। ऊंचे तापमान पर, कार्बन के रासायनिक स्पटरिंग को नमूने में आने वाले आयनों के कमजोर बंधनों के कारण समझा जा सकता है, जो तब थर्मल सक्रियण द्वारा उतरते हैं।[15] कम तापमान पर देखे गए कार्बन-आधारित पदार्थों के हाइड्रोजन-प्रेरित स्पटरिंग को एच आयनों द्वारा सी-सी बांडों के बीच प्रवेश करने और इस प्रकार उन्हें तोड़ने से समझाया गया है, एक तंत्र जिसे तेज रासायनिक स्पटरिंग कहा जाता है। रेफरी नाम = सलोनन2001>E. Salonen; Nordlund, K.; Keinonen, J.; Wu, C.; et al. (2001). "Swift chemical sputtering of amorphous hydrogenated carbon". Physical Review B. 63 (19): 195415. Bibcode:2001PhRvB..63s5415S. doi:10.1103/PhysRevB.63.195415. S2CID 67829382.</ref>

अनुप्रयोग और घटना

स्पटरिंग तभी होती है जब आने वाले कणों की गतिज ऊर्जा पारंपरिक तापीय ऊर्जा (असमानता (गणित) इलेक्ट्रॉनवोल्ट की तुलना में बहुत अधिक होती है। जब प्रत्यक्ष धारा (डीसी स्पटरिंग) के साथ किया जाता है, तो 3-5 केवी के वोल्टेज का उपयोग किया जाता है। जब प्रत्यावर्ती धारा (आकाशवाणी आवृति स्पटरिंग) के साथ किया जाता है, तो आवृति 14 मेगाहर्ट्ज रेंज के आसपास होती है।

स्पटर सफाई

खालीपन में भौतिक स्पटरिंग का उपयोग करके ठोस पदार्थों की सतहों को दूषित पदार्थों से साफ किया जा सकता है। स्पटर सफाई का उपयोग अक्सर सतह विज्ञान, निर्वात जमाव और आयन चढ़ाना में किया जाता है। 1955 में फ़ार्नस्वर्थ, स्कॉलर, जॉर्ज,और बर्गर ने कम-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-विवर्तन (LEED) अध्ययनों के लिए अल्ट्रा-क्लीन सतहों को तैयार करने के लिए अल्ट्रा-हाई-वैक्यूम सिस्टम में स्पटर क्लीनिंग का उपयोग करने की सूचना दी।[16][17][18] स्पटर सफाई आयन चढ़ाना प्रक्रिया का एक अभिन्न अंग बन गया। जब साफ की जाने वाली सतहें बड़ी हों, तो इसी तरह की तकनीक, प्लाज्मा सफाई का उपयोग किया जा सकता है। स्पटर की सफाई में कुछ संभावित समस्याएं हैं जैसे कि अधिक गरम होना, सतह क्षेत्र में गैस का समावेश, सतह क्षेत्र में बमबारी (विकिरण) क्षति,और सतह का खुरदरापन, खासकर अगर पूरा हो गया हो। स्पटर सफाई के दौरान सतह को लगातार पुन: दूषित न करने के लिए एक स्वच्छ प्लाज्मा (भौतिकी) होना महत्वपूर्ण है। उपवर्ग पर स्पटर सामग्री का पुनर्स्थापन भी समस्याएं दे सकता है, खासकर उच्च स्पटरिंग दबाव पर। एक यौगिक या मिश्र धातु सामग्री की सतह के स्पटरिंग के परिणामस्वरूप सतह की संरचना बदल सकती है। अक्सर कम से कम द्रव्यमान या उच्चतम वाष्प दबाव वाली प्रजातियां सतह से अधिमानतः निकालती हैं।

फिल्म बयान

Main article: Sputter deposition

स्पटर डिपोजिशन पतली चलचित्र को स्पटरिंग द्वारा जमा करने की एक विधि है जिसमें "लक्ष्य" स्रोत से "उपवर्ग" पर सामग्री को मिटाना शामिल है। एक सिलिकॉन वेफर (अर्धचालक), सौर सेल, ऑप्टिकल घटक, या कई अन्य संभावनाएं।[19] इसके विपरीत, रिस्पटरिंग में जमा स्थूल का पुन: उत्सर्जन शामिल है, उदासीन आयन बमबारी द्वारा भी जमाव के दौरान SiO2 का वर्णन हैं

निकाले वाले परमाणु गैस चरण मे बाहर निकल जाते हैं, लेकिन अपने थर्मोडायनामिक संतुलन अवस्था में नहीं होते हैं, और निर्वात कक्ष में सभी सतहों पर जमा हो जाते हैं। कक्ष में रखा गया एक उपवर्ग (जैसे वेफर) को एक पतली फिल्म के साथ लेपित किया जाएगा। स्पटरिंग डिपोजिशन आमतौर पर एक आर्गन प्लाज्मा का उपयोग करता है क्योंकि आर्गन, एक महान गैस, लक्ष्य सामग्री के साथ प्रतिक्रिया नहीं करेगा।

स्पटर क्षति

स्पटर क्षति को आमतौर पर ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों पर पारदर्शी इलेक्ट्रोड जमाव के दौरान परिभाषित किया जाता है, जो आमतौर पर अत्यधिक ऊर्जावान प्रजातियों द्वारा उपवर्ग की बमबारी से उत्पन्न होता है। प्रक्रिया में शामिल मुख्य प्रजातियों और प्रतिनिधि ऊर्जाओं को सूचीबद्ध किया जा सकता है (मान यहां से लिए गए हैं:[20]

  • लक्ष्य सतह (∼10 eV) से फटे हुए परमाणु (आयन), जिसका निर्माण मुख्य रूप से लक्ष्य सामग्री की बाध्यकारी ऊर्जा पर निर्भर करता है;
  • प्लाज्मा में बनने वाले ऋणात्मक आयन (वाहक गैस से उत्पन्न) (∼5–15 eV), जिसका निर्माण मुख्य रूप से प्लाज्मा क्षमता पर निर्भर करता है;
  • लक्ष्य सतह (400 eV तक) पर बने ऋणात्मक आयन, जिनका निर्माण मुख्य रूप से लक्ष्य वोल्टेज पर निर्भर करता है;•
  • प्लाज्मा में बने धनात्मक आयन (∼15 eV), जिसका निर्माण मुख्य रूप से फ्लोटिंग विभव पर एक उपवर्ग के सामने संभावित गिरावट पर निर्भर करता है;
  • लक्षित सतह (20-50 eV) से परावर्तित परमाणु और उदासीन आयन, जिनका निर्माण मुख्य रूप से पृष्ठभूमि गैस और निकाले वाले तत्व के द्रव्यमान पर निर्भर करता है।

जैसा कि ऊपर दी गई सूची में देखा गया है, ऋणात्मक आयन (उदा., O .)- और In− for ITO स्पटरिंग) लक्ष्य सतह पर बनता है और उपवर्ग की ओर त्वरित होकर सबसे बड़ी ऊर्जा प्राप्त करता है, जो लक्ष्य और प्लाज्मा क्षमता के बीच की क्षमता से निर्धारित होता है। यद्यपि ऊर्जावान कणों का प्रवाह एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, उच्च-ऊर्जा नकारात्मक O- आक्साइड के प्रतिक्रियाशील जमाव के मामले में आयन अतिरिक्त रूप से प्लाज्मा में सबसे प्रचुर प्रजाति हैं। हालांकि, अन्य आयनों/परमाणुओं की ऊर्जा (जैसे, Ar+, अरी0, या In0) डिस्चार्ज में पहले से ही सतह के बंधनों को अलग करने या कुछ डिवाइस प्रौद्योगिकियों में नरम परतों को खोदने के लिए पर्याप्त हो सकता है। इसके अलावा, प्लाज्मा (Ar, ऑक्सीजन आयन) से उच्च-ऊर्जा कणों का गति हस्तांतरण या लक्ष्य से निकाले ना भौतिक (जैसे, नक़्क़ाशी) या संवेदनशील उपवर्ग परतों के थर्मल क्षरण को ट्रिगर करने के लिए उपवर्ग तापमान को पर्याप्त रूप से बढ़ा या बढ़ा सकता है। जैसे पतली फिल्म धातु हलाइड पेरोव्स्काइट्स)।

यह अंतर्निहित चार्ज ट्रांसपोर्ट और पैसिवेशन लेयर्स और फोटोएक्टिव एब्जॉर्बर या एमिटर के कार्यात्मक गुणों को प्रभावित कर सकता है, डिवाइस के प्रदर्शन को खराब कर सकता है। उदाहरण के लिए, स्पटर क्षति के कारण, अपरिहार्य इंटरफेसियल परिणाम हो सकते हैं जैसे फर्मी स्तर की पिनिंग, क्षति से संबंधित इंटरफेस गैप राज्यों के कारण, जिसके परिणामस्वरूप शोट्की-बैरियर बाधा वाहक परिवहन का गठन होता है। स्पटर क्षति सामग्री की डोपिंग दक्षता और फोटोएक्टिव सामग्री में अतिरिक्त चार्ज वाहक के जीवनकाल को भी खराब कर सकती है; कुछ मामलों में, इसकी सीमा के आधार पर, इस तरह के नुकसान से शंट प्रतिरोध भी कम हो सकता है।[20]

नक़्क़ाशी

सेमीकंडक्टर उद्योग में लक्ष्य को खोदने के लिए स्पटरिंग का उपयोग किया जाता है। स्पटर नक़्क़ाशी उन मामलों में चुना जाता है जहां उच्च स्तर की नक़्क़ाशी असमदिग्वर्ती होने की दशा की आवश्यकता होती है और चयनात्मकता चिंता का विषय नहीं है। इस तकनीक का एक बड़ा दोष वेफर क्षति और उच्च वोल्टेज का उपयोग है।

विश्लेषण के लिए

स्पटरिंग का एक अन्य अनुप्रयोग लक्ष्य सामग्री को दूर करना है। ऐसा ही एक उदाहरण सेकेंडरी आयन जन स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS) में होता है, जहां लक्ष्य नमूना एक स्थिर दर पर निकाले ता है। जैसे ही लक्ष्य को स्पटर किया जाता है, निकाले वाले परमाणुओं की एकाग्रता और पहचान को मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके मापा जाता है। इस तरह लक्ष्य सामग्री की संरचना निर्धारित की जा सकती है और यहां तक ​​कि बहुत कम सांद्रता (20 μg/kg) अशुद्धियों का पता लगाया जा सकता है। इसके अलावा, क्योंकि स्पटरिंग लगातार नमूने में गहराई से खोदता है, गहराई के कार्य के रूप में एकाग्रता प्रोफाइल को मापा जा सकता है।

अंतरिक्ष में

स्पटरिंग अंतरिक्ष अपक्षय के रूपों में से एक है, एक प्रक्रिया जो वायुहीन पिंडों के भौतिक और रासायनिक गुणों को बदल देती है, जैसे कि क्षुद्रग्रह और चंद्रमा। बर्फीले चंद्रमाओं पर, विशेष रूप से यूरोपा (चंद्रमा) पर, सतह से फोटोलाइज्ड पानी के छींटे से हाइड्रोजन का शुद्ध नुकसान होता है और ऑक्सीजन युक्त सामग्री का संचय होता है जो जीवन के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है। स्पटरिंग भी संभावित तरीकों में से एक है कि मंगल ने अपना अधिकांश वायुमंडल खो दिया है और बुध (ग्रह) लगातार अपने कमजोर सतह से घिरे बहिर्मंडल को भर देता है।

संदर्भ

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