不使用磁鐵的高性能馬達（二）：帶電體的制造和帶電方法的驗證

　　在上一篇中，筆者介紹了實(shí)現高密度帶電體后即可產(chǎn)生高庫侖力的原理，并提出了可實(shí)現高密度帶電體的物體。本文將具體介紹一下高密度帶電體的制造方法。

有多種方法可實(shí)現帶電

　　上一篇談到，作為以氧化物絕緣體覆蓋的球體帶電體，Si具有有效性。球狀Si已在球面半導體電路及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域實(shí)用化。太陽(yáng)能電池目前使用的是球徑為1mm的球狀Si。球狀Si的制造裝置一般通過(guò)使Si從坩堝自由下落來(lái)生產(chǎn)球狀Si，減小坩堝滴孔部分的孔徑的話(huà)，便可制造出粒徑較小的球狀Si；增加滴孔的數量的話(huà)，還可提高生產(chǎn)效率。在下落途中通過(guò)等離子體使Si球帶電，并施加電場(chǎng)的話(huà)，便有望按照粒徑來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。

　　作為實(shí)現帶電的方法，通常會(huì )首先想到電子束照射法，這是專(zhuān)門(mén)用于帶負電的方法。向金屬或半導體氧化后形成的球體照射電子束即可。要增加帶電量，就必須提高加速電壓。而這時(shí)必定會(huì )發(fā)生充電現象（Charge Up），在排斥力的影響下，荷電量存在極限。

圖1：電子束照射法的原理圖。球體帶負電。

　　第二個(gè)是離子注入法，這是專(zhuān)門(mén)用于帶正電的方法。在半導體領(lǐng)域，離子注入法是一項已知的技術(shù)。要想對注入的離子種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)化，還需要通過(guò)實(shí)驗來(lái)確認?；旧鲜亲⑷胝x子。P離子注入的話(huà)，注入的是5價(jià)正離子。離子注入也會(huì )發(fā)生充電現象。電子束照射裝置對防止帶電體內部的充電現象不起作用。

　　在半導體制造工序中，在離子狀態(tài)下也會(huì )發(fā)生充電現象。這就是要想使離子嵌入Si結晶排列，還需要使之活性化的理由。本文以雜質(zhì)濃度為基準進(jìn)行的演算顯示，離子集中存在于表面附近。這一狀態(tài)下的離子運動(dòng)狀況只能通過(guò)實(shí)驗來(lái)查明。

　　第三個(gè)是摻入雜質(zhì)進(jìn)行熔融后照射電子束的方法。首先摻入雜質(zhì)對硅進(jìn)行熔融，制造球狀硅，并對表面進(jìn)行氧化。然后直接在內部保持電中和的狀態(tài)下照射電子束。這樣便可注入電子直至最外層電子達到8個(gè)，從而使雜質(zhì)擁有滿(mǎn)足價(jià)數的離子價(jià)。

　　通過(guò)上述方法雖然可實(shí)現帶電，但帶電量存在極限。在照射電子束的方法中，帶電量可通過(guò)對電子進(jìn)行加速的電場(chǎng)的高低來(lái)控制。帶電量會(huì )在電子無(wú)法突破球內電子群所具庫侖斥力的地方終結。而離子注入法在注入后無(wú)需活性化即可直接以離子狀態(tài)固定。進(jìn)行RTA處理的話(huà)內部的離子分布可實(shí)現均勻化，但其效果不得而知。雖然這種方法也會(huì )發(fā)生充電現象，但離子較重，因此容易獲得所希望的濃度。

通過(guò)推算庫侖力導入最佳方案

　　下面來(lái)具體推算一下帶電體具有何種程度的庫侖力。假設在雜質(zhì)濃度為1016/cm³的情況下，全部進(jìn)行了離子化。為了便于計算，以直徑為10μm的Si球為對象。使該Si球帶電后，涂布在帶電板上。涂布面積為1cm²，面間距離設定為1mm。

　　●硅中的雜質(zhì)(電荷)數量

　　直徑為10μm的硅球的體積……523.6μm³

　　直徑10μm中的雜數數量(＝電荷數量)……5.236×10⁶個(gè)