یو انقلابي نوی مواد - تور سیلیکون
تور سیلیکون د سیلیکون یو نوی ډول مواد دی چې غوره آپټو الیکترونیکي ځانګړتیاوې لري. دا مقاله په وروستیو کلونو کې د ایریک مازور او نورو څیړونکو لخوا د تور سیلیکون په اړه د څیړنې کار لنډیز کوي، د تور سیلیکون د چمتووالي او جوړښت میکانیزم، او همدارنګه د هغې ځانګړتیاوې لکه جذب، لمریز رڼا، د ساحې اخراج، او طیف غبرګون په اړه توضیحات ورکوي. دا د انفراریډ کشف کونکو، لمریز حجرو، او فلیټ پینل ښودنې کې د تور سیلیکون مهم احتمالي غوښتنلیکونه هم په ګوته کوي.
کرسټالین سیلیکون د سیمیکمډکټر صنعت کې په پراخه کچه کارول کیږي ځکه چې د هغې ګټې لکه د پاکولو اسانتیا، د ډوپینګ اسانتیا، او د لوړې تودوخې مقاومت. په هرصورت، دا ډیری نیمګړتیاوې هم لري، لکه د هغې په سطحه د لیدلو وړ او انفراریډ رڼا لوړ انعکاس. سربیره پردې، د هغې د لوی بانډ تشې له امله،کرسټالین سیلیکوند ۱۱۰۰ نانو میتر څخه زیات طول موج لرونکي رڼا نشي جذبولی. کله چې د پیښې رڼا طول موج له ۱۱۰۰ نانو میتر څخه زیات وي، د سیلیکون کشف کونکو د جذب او غبرګون کچه خورا کمیږي. نور مواد لکه جرمینیم او انډیم ګیلیم ارسنایډ باید د دې طول موجونو کشفولو لپاره وکارول شي. په هرصورت، لوړ لګښت، ضعیف ترموډینامیک ملکیتونه او د کرسټال کیفیت، او د موجوده بالغ سیلیکون پروسو سره نا مطابقت د سیلیکون پر بنسټ وسیلو کې د دوی کارول محدودوي. له همدې امله، د کرسټالین سیلیکون سطحو انعکاس کمول او د سیلیکون پر بنسټ او سیلیکون سره مطابقت لرونکي فوټوډیټیکټرونو د کشف طول موج حد پراخول د څیړنې یوه ګرمه موضوع پاتې ده.
د کرسټالین سیلیکون سطحو د انعکاس کمولو لپاره، ډیری تجربوي میتودونه او تخنیکونه کارول شوي، لکه فوتولیتوګرافي، د تعامل ایون ایچینګ، او الیکټرو کیمیکل ایچینګ. دا تخنیکونه کولی شي، تر یوې اندازې پورې، د کرسټالین سیلیکون سطح او نږدې سطحې مورفولوژي بدل کړي، پدې توګه کمويسیلیکون د سطحې انعکاس. د لیدلو وړ رڼا په حد کې، د انعکاس کمول کولی شي جذب زیات کړي او د وسیلې موثریت ښه کړي. په هرصورت، د 1100 nm څخه ډیر طول موجونو کې، که چیرې د جذب انرژي کچه د سیلیکون بینډ تشې ته معرفي نشي، کم شوی انعکاس یوازې د لیږد زیاتوالي لامل کیږي، ځکه چې د سیلیکون بینډ تشه په پای کې د اوږد طول موج رڼا جذب محدودوي. له همدې امله، د سیلیکون پر بنسټ او سیلیکون سره مطابقت لرونکي وسیلو د حساس طول موج حد پراخولو لپاره، دا اړینه ده چې د بینډ تشې دننه د فوټون جذب زیات کړئ پداسې حال کې چې په ورته وخت کې د سیلیکون سطحې انعکاس کم کړئ.
د ۱۹۹۰ لسیزې په وروستیو کې، پروفیسور ایرک مازور او د هارورډ پوهنتون نورو د فیمټوسیکنډ لیزرونو د مادې سره د تعامل په اړه د دوی د څیړنې په جریان کې یو نوی مواد - تور سیلیکون - ترلاسه کړ، لکه څنګه چې په شکل ۱ کې ښودل شوي. د تور سیلیکون د فوتو الیکټریک ملکیتونو د مطالعې پرمهال، ایرک مازور او د هغه همکاران حیران شول چې وموندله چې دا مایکروسټرکچر شوی سیلیکون مواد ځانګړي فوتو الیکټریک ملکیتونه لري. دا نږدې ټول رڼا د نږدې الټرا وایلیټ او نږدې انفراریډ رینج (0.25-2.5 μm) کې جذبوي، د غوره لید وړ او نږدې انفراریډ لمریز ځانګړتیاوې او د ښه ساحې اخراج ځانګړتیاوې ښیې. دې کشف د سیمیکمډکټر صنعت کې یو احساس رامینځته کړ، لوی مجلې د دې په اړه د راپور ورکولو لپاره سیالي کوله. په ۱۹۹۹ کې، ساینسي امریکایی او ډیسکور مجلې، په ۲۰۰۰ کې د لاس انجلس ټایمز ساینس برخه، او په ۲۰۰۱ کې د نیو ساینسټ مجلې ټولو د تور سیلیکون کشف او د هغې احتمالي غوښتنلیکونو په اړه د فیچر مقالې خپرې کړې، په دې باور وو چې دا د ریموټ سینسنګ، آپټیکل مخابراتو او مایکرو الیکټرانیک په څیر برخو کې د پام وړ احتمالي ارزښت لري.
اوس مهال، د فرانسې څخه ټي. سامټ، د ایرلینډ څخه انویف ایم. مولوني، د چین د فوډان پوهنتون څخه ژاو لی، او د چین د علومو اکاډمۍ څخه مین هینینګ ټولو د تور سیلیکون په اړه پراخه څیړنې ترسره کړې او لومړني پایلې یې ترلاسه کړې. د متحده ایالاتو په میساچوسټس کې یو شرکت، سی اونیکس حتی د نورو شرکتونو لپاره د ټیکنالوژۍ پراختیا پلیټ فارم په توګه د خدمت کولو لپاره د پانګونې په برخه کې 11 ملیون ډالر راټول کړي، او د سینسر پر بنسټ د تور سیلیکون ویفرونو سوداګریز تولید یې پیل کړی، چې د راتلونکي نسل انفراریډ امیجنگ سیسټمونو کې بشپړ شوي محصولاتو کارولو لپاره چمتووالی نیسي. د سی اونیکس اجرایوي رییس سټیفن سیلر وویل چې د تور سیلیکون ټیکنالوژۍ ټیټ لګښت او لوړ حساسیت ګټې به په ناڅاپي ډول د هغو شرکتونو پام ځانته راجلب کړي چې په څیړنه او طبي امیجنگ بازارونو تمرکز کوي. په راتلونکي کې، دا ممکن حتی د څو ملیارد ډالرو ډیجیټل کیمرې او کیمکارډر بازار ته ننوځي. سی اونیکس اوس مهال د تور سیلیکون د فوتوولټیک ملکیتونو سره تجربه هم کوي، او دا خورا احتمال لري چېتور سیلیکونپه راتلونکي کې به په لمریزو حجرو کې وکارول شي. ۱. د تور سیلیکون د جوړولو پروسه
۱.۱ د چمتووالي پروسه
د واحد کرسټال سیلیکون ویفرونه په ترتیب سره د ټرای کلوروایتیلین، اسیټون او میتانول سره پاکیږي، او بیا په ویکیوم چیمبر کې په درې بعدي حرکت وړ هدف سټیج کې ځای پر ځای کیږي. د ویکیوم چیمبر اساس فشار له 1.3 × 10⁻² Pa څخه کم دی. کاري ګاز کولی شي SF₆، Cl₂، N₂، هوا، H₂S، H₂، SiH₄، او نور وي، د 6.7 × 10⁴ Pa کاري فشار سره. په بدیل سره، د ویکیوم چاپیریال کارول کیدی شي، یا د S، Se، یا Te عنصري پوډرونه په ویکیوم کې د سیلیکون سطحې ته پوښل کیدی شي. د هدف سټیج هم په اوبو کې ډوب کیدی شي. د فیمټوسیکنډ نبضونه (800 nm، 100 fs، 500 μJ، 1 kHz) چې د Ti:sapphire لیزر بیا تولیدونکي امپلیفیر لخوا تولید شوي د لینز لخوا متمرکز کیږي او په عمودي ډول د سیلیکون سطحې ته شعاع ورکول کیږي (د لیزر تولید انرژي د attenuator لخوا کنټرول کیږي، کوم چې د نیم څپې پلیټ او پولاریزر څخه جوړ دی). د لیزر ځای سره د سیلیکون سطح سکین کولو لپاره د هدف مرحلې حرکت کولو سره، د لوی ساحې تور سیلیکون مواد ترلاسه کیدی شي. د لینز او سیلیکون ویفر ترمنځ واټن بدلول کولی شي د سیلیکون سطحې باندې د شعاع شوي رڼا ځای اندازه تنظیم کړي، په دې توګه د لیزر روانی بدلوي؛ کله چې د ځای اندازه ثابته وي، د هدف مرحلې د حرکت سرعت بدلول کولی شي د سیلیکون سطحې په یو واحد ساحه کې د شعاع شوي نبضونو شمیر تنظیم کړي. کاري ګاز د سیلیکون سطحې مایکرو جوړښت شکل باندې د پام وړ اغیزه کوي. کله چې کاري ګاز ثابت وي، د لیزر روانی بدلول او د هر واحد ساحې په ساحه کې د ترلاسه شوي نبضونو شمیر کولی شي د مایکرو جوړښتونو لوړوالی، اړخ تناسب او فاصله کنټرول کړي.
۱.۲ مایکروسکوپي ځانګړتیاوې
د فیمټوسیکنډ لیزر وړانګو وروسته، د اصلي نرم کرسټالین سیلیکون سطحه د نیم منظم تنظیم شوي کوچني مخروطي جوړښتونو لړۍ ښیې. د مخروطي سرونه په ورته سطحه کې دي چې شاوخوا غیر وړانګې شوي سیلیکون سطحه ده. د مخروطي جوړښت شکل د کاري ګاز سره تړاو لري، لکه څنګه چې په 2 شکل کې ښودل شوي، چیرې چې په (a)، (b)، او (c) کې ښودل شوي مخروطي جوړښتونه په ترتیب سره په SF₆، S، او N₂ اتموسفیر کې جوړ شوي دي. په هرصورت، د مخروطي سرونو سمت د ګاز څخه خپلواک دی او تل د لیزر پیښې په لور اشاره کوي، د جاذبې له امله اغیزمن نه وي، او همدارنګه د کرسټالین سیلیکون د ډوپینګ ډول، مقاومت، او کرسټالین سمت څخه خپلواک وي؛ د مخروطي اساسونه غیر متناسب دي، د دوی لنډ محور د لیزر قطبي کولو سمت سره موازي دی. په هوا کې جوړ شوي مخروطي جوړښتونه ترټولو سخت دي، او د دوی سطحې د 10-100 nm حتی د ډینډریټیک نانو جوړښتونو سره پوښل شوي دي.
هر څومره چې د لیزر روانی لوړ وي او د نبضونو شمیر ډیر وي، هومره مخروطي جوړښتونه لوړ او پراخ کیږي. په SF6 ګاز کې، د مخروطي جوړښتونو لوړوالی h او فاصله d یو غیر خطي اړیکه لري، کوم چې تقریبا د h∝dp په توګه څرګند کیدی شي، چیرې چې p=2.4±0.1؛ لوړوالی h او فاصله d دواړه د لیزر روانی زیاتیدو سره د پام وړ زیاتیږي. کله چې روانی له 5 kJ/m² څخه 10 kJ/m² ته لوړیږي، د d واټن 3 ځله زیاتیږي، او د h او d ترمنځ اړیکې سره یوځای کیږي، لوړوالی h 12 ځله زیاتیږي.
په خلا کې د لوړ تودوخې انیل کولو (1200 K، 3 h) وروسته، د مخروطي جوړښتونوتور سیلیکوند پام وړ بدلون نه دی راغلی، مګر په سطحه د 10-100 نانومیټر ډینډریټیک نانو جوړښتونه خورا کم شوي. د آیون چینلینګ سپیکٹروسکوپي ښودلې چې د مخروطي سطحې ګډوډي د انیل کولو وروسته کمه شوې، مګر ډیری ګډوډ جوړښتونه د دې انیل کولو شرایطو لاندې بدلون نه دی موندلی.
۱.۳ د جوړښت میکانیزم
اوس مهال، د تور سیلیکون د جوړولو میکانیزم روښانه نه دی. په هرصورت، ایرک مازور او نورو اټکل وکړ چې د سیلیکون سطحې مایکرو جوړښت د کاري فضا سره د شکل بدلون پراساس، د لوړ شدت فیمټوسیکنډ لیزرونو د هڅونې لاندې، د ګاز او کرسټالین سیلیکون سطحې ترمنځ کیمیاوي تعامل شتون لري، چې د سیلیکون سطحې ته اجازه ورکوي چې د ځینو ګازونو لخوا ایچ شي، تیز شنکونه جوړوي. ایرک مازور او نورو د سیلیکون سطحې مایکرو جوړښت د جوړښت فزیکي او کیمیاوي میکانیزمونه د دې لپاره منسوب کړل: د لوړ روان لیزر نبضونو له امله د سیلیکون سبسټریټ خړوبول او خلاصول؛ د عکس العمل ایونونو او ذراتو لخوا د قوي لیزر ساحې لخوا رامینځته شوي د سیلیکون سبسټریټ ایچ کول؛ او د سبسټریټ سیلیکون د ابلیټ شوي برخې بیا کریسټال کول.
د سیلیکون په سطحه مخروطي جوړښتونه په ناڅاپي ډول جوړیږي، او د ماسک پرته یو نیم منظم صف جوړ کیدی شي. زما شین او نورو د سیلیکون سطحې سره د ماسک په توګه د 2 μm ضخامت لیږد الکترون مایکروسکوپ مسو جال وصل کړ، او بیا یې د فیمټوسیکنډ لیزر سره په SF6 ګاز کې د سیلیکون ویفر وړانګې کړ. دوی د سیلیکون سطحې باندې د مخروطي جوړښتونو خورا منظم ترتیب ترلاسه کړ، چې د ماسک نمونې سره سم دی (شکل 4 وګورئ). د ماسک د خلاصولو اندازه د مخروطي جوړښتونو ترتیب باندې د پام وړ اغیزه کوي. د ماسک خلاصولو لخوا د پیښې لیزر تفاوت د سیلیکون سطحې باندې د لیزر انرژي غیر یونیفورم ویش لامل کیږي، چې په پایله کې د سیلیکون سطحې باندې د تودوخې دوره ایز ویش رامینځته کیږي. دا په نهایت کې د سیلیکون سطحې جوړښت صف مجبوروي چې منظم شي.