ЭИПТ-ВПТ

УСТАНОВКА С ЭЦР ПЛАЗМОЙ:

Низкотемпературное осаждение Прецизионное травление

Рост эпитаксиальных структур III-V Диаметр подложек 150 мм Электростатический прижим Охлаждение через гелиевую подушку Компьютерное управление Параметры ЭЦР источника: Плотность плазмы – 1E12 см-3 Давление – 1E-3 Тор

Мощность – 1.5 кВт

	Источник
СВЧ излучатель	Плазма
СВЧ тракт
	Генератор (35 ГГц) и

измеритель фазы

Вакуумная установка для формирования в едином вакуумном цикле микрорельефа и ТСП. Ионное травление микрокарманов осуществляется через маску автономным источником ионов, а нанесение ТСП – высокочастотным магнетронным распылительным устройством.

Подготовка

Травление

Ионная очистка и

Активация

Нанесение

поверхност

микрокармано

полировка

поверхност

покрытия

и

в

поверхности

и

Рис.4. Технологический маршрут формирования покрытия.

		Lпов
Ra	dотв	hк
		dотв

твердосмазочное покрытие	подложка

Рис.3. Микрокарманы для дополнительной

смазки:	– площадь поверхности покрытия в
паре трения (Lпов, Bпов – протяженность и
ширина	поверхности),	–	суммарная
площадь	микрокарманов,	–	глубина

карманов.

			1		АИИ	17
			Ar		на ГС
					Ar
			3
			4
			М			18
			5			26
			6
			7
			8
ГС	V5				15
			9
					14	19
			V6			20
					1;13
		V4
	V3				VF1
	РРГ	РРГ		СУ	12	21
			30	ВЧ		22
	Ф	Ф	29		25
	РД	РД	28

V1	V2		27	23
	P	P
				24
	N 2	Ar	10
			11

Рис.28 Схема и внешний вид вакуумной установки для нанесения тонких пленок: 1 – магистраль напуска рабочего газа; 2 – ионно-лучевой источник; 3 – держатель

образца; 4 – муфта; 5 – привод; 6, 15 – вводы движения в вакуум; 7 – вакуумная камера; 8

– мишень; 9 – магнетрон; 10 – регулятор давления газа; 11 – баллоны с рабочими газами; 12 – регулятор расхода газа; 13, 19 - датчики давления; 14 – привод заслонки; 16 – заслонка; 17 – катод-нейтрализатор; 18 – привод подъема вакуумной камеры; 20, 23 – клапаны; 21, 24 – вакуумные насосы; 23 – форвакуумный баллон; 25 – блок питания магнетрона; 26 – система охлаждения вакуумной камеры

					Ионно-лучевая обработка и ионная имплантация
1		2		3	1	3
+					+			Ионно-лучевая обработка применяется для формирования
								микрорельефа (рис.29 а), очистки, полировки и активации
+					+			поверхностей (рис.29 б,в), нанесения тонких пленок в
Ar, CxFy,								вакууме с ионно-лучевым ассистированием (рис.29 г),
CxCly					Ar, O2
								распылением (рис.29 д) и осаждением (рис.29 е), а также для
а)					б)			модификации и легирования поверхностных слоев деталей
								с помощью имплантации ионов из сепарированных пучков
1				3	1	3		(Рис.29 ж).
+					+			Требования к источникам ионов: токи пучка – сотни мА;
+					+			плотности тока – несколько мА/см2; энергия ионов – 0,05 –
Ar, O2,								5 кэВ; материал ионов – инертные газы и химически
CxFy					Ar	оооооо	4	активные (фтор- и хлорсодержащие) соединения,
в)					г)			углеводороды, кислород, азот и др.; форма сечения пучка –
								кольцевая (диаметр пучка от 50 до 500 мм ), прямоугольная
1	3				1	3		(длина до 3 м), сходящаяся или расходящаяся. Наиболее
+		о о	о	о	+			полно этим требованиям отвечают источники ионов с
								холодным катодом, формирующие пучки ионов в
+					+			скрещенных электрическом и магнитном полях. Источники
Ar, O2,				5				ионов с горячим катодом практически не пригодны для
N2					CxHy
								формирования химически активных пучков ионов.
д)					е)			В технологии ионной имплантации (Рис.29 ж) используются
								сепарированные моноизотопные пучки ионов B, P, As, Sb и
								др. Сравнительно низкая температура обработки
								материалов, достаточно точный контроль глубины и
								профиля распределения примеси, возможность
								автоматизации процесса способствует расширению
+	1	6		7	8	3		применения технологии ионной имплантации в различных
PH3, PCl3,								областях современного производства. В микроэлектронике
BF3, B2H6					ж)
								ионная имплантация применяется при изготовлении

полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Рис.29 Варианты ионно-лучевой обработки: 1 – источник ионов; 2 – маска; 3 – изделие; 4 – испаритель; 5 – мишень; 6 – масс-сепаратор; 7 – система ускорения ионов; (ИС). 8 – система сканирования

Rp, мкм

0,1

0,01

0,001

B

C, см-3

Ei=50 кэВ

P

As

Sb

200 кэВ

1020

Ei=400 кэВ

1018

0,25 0,5 0,75 x, мкм

10

100

Ei, кэВ

0

а

б

Рис. 4.8

Основными материалами мишени при производстве ИС являются кремний и арсенид галлия, имплантируются фосфор, бор, мышьяк, сурьма и др., а в качестве материала маски используются алюминий, золото, платина, титан, диоксид кремния, нитрид кремния, фоторезисты. Ионная имплантация позволяет управлять дозами облучения от 1Е10 до 1Е18 ион/см2 и обеспечивает неоднородность распределения примеси на площади 320 см2 не более 1 - 2 %. С увеличением степени интеграции и рабочей частоты полупроводниковых приборов и ИС уменьшаются как горизонтальные, так и вертикальные размеры элементов. Например, толщина базы и эмиттера в активной области биполярного транзистора могут быть порядка 0,1 мкм, а геометрические размеры легированной области не превышают 1 – 2 мкм. При изготовлении полевых транзисторов ионной имплантацией получают самосовмещенный затвор (Рис.30), когда полностью совпадают границы областей «исток-затвор» и «сток-затвор», чего нельзя выполнить с помощью высокотемпературной диффузии.

+	+	+	+	+	+	+
исток			затвор			сток

Рис.30 Схема получения самосовмещенного транзистора

Радиационные дефекты кристаллической решетки и аморфные участки (при больших дозах легирования) устраняются отжигом при Т=800 – 1200 К, при этом происходит перемещение электрически неактивных ионов в узлы кристаллической решетки.

Легирование материалов атомами отдачи – перемещение на несколько нанометров поверхностных атомов при взаимодействии с ними ускоренных ионов и создание сверхтонких легированных слоев. Например, если на поверхность кремния нанести тонкую пленку алюминия, а затем бомбардировать ее ионами Si+, Al+ или ионами инертных газов, то атомы алюминия из металлической пленки перемещаются в глубь кремния и образуют слой с максимальной концентрацией атомов у границы кремний-алюминий и спадающей по гиперболе до глубины 5 – 10 нм. При этом удается получить выход атомов отдачи до 10 на один внедренный ион.

Ионная имплантация в металлы и диэлектрики позволяет в широких пределах изменять их свойства. Удается, например, сплавлять металлы, не смешиваемые в жидком состоянии: так, молибден в алюминии практически не растворим, а в результате ионной имплантации в поверхностном слое алюминия образуется сплав, содержащий 25% молибдена. При этом повышается стойкость алюминия к питтинговой коррозии. С помощью ионной имплантации получены пересыщенные твердые растворы, метастабильные интерметаллические соединения, равновесные сплавы и аморфные фазы.

В современной технологии изготовления ИС используются более 9 режимов ионной имплантации (Рис.31): для МДП-транзисторов (а): 1 – управление зарядом в пассивирующем оксиде, 2 – управление пороговым напряжением, 3 – получение резистора, 4 – получение кармана КМОП-транзистора, 5 – самосовмещение, 6 – сглаживание; для биполярных транзисторов (б): 7 – легирование базы, 8 – омический контакт, 9 – получение эмиттера в скрытом слое.

Ei, кэВ																Ei, кэВ
160													160
140		1											140
120													120
																			7
100													100
80		2												80
							4
60												5		60													9
					3
40														40									8
		6											D, см-2													D, см-2
20															20
1011		1012		1013				1014				1015	1016			1011			1012	1013			1014	1015			1016
						а)														б)

Рис.31 Основные режимы ионной имплантации: энергия пучка Ei и доза легирования D

Ионная имплантация в металлы применяется для изменения их поверхностных свойств: увеличения твердости, износостойкости, коррозионной и радиационной стойкости, увеличения сопротивления усталостному разрушению, уменьшения коэффициента трения, управления химическими, оптическими и другими свойствами. Ионная имплантация позволяет упрочнять поверхностные слои металлов и сплавов путем перевода их в аморфное состояние. Аморфизация поверхности различных металлов (Al, Co, Ni, Fe и др.) достигается при имплантации в них ионов металлоидов (B+, P+, As+) или при бомбардировке ионами W+, Ta+, Au+ сталей, в том числе коррозионно-стойких. Для сопротивления изнашиванию наиболее часто используется имплантация ионов N+, B+, C+, Ti+, после чего долговечность деталей или инструмента увеличивается в 2 – 10 раз. В полимерных материалах ионное легирование позволяет менять электропроводность, которая может возрастать до 14 порядков, структуру и химический состав. Увеличение проводимости связано с перестройкой молекулярной структуры, разрывом связей C-H и появлением избыточного углерода. Имплантируются ионы C+, O+, N+, Ar+ с энергией приблизительно 15 кэВ.

Оборудование ионной имплантации (Рис.33) включает в себя: ионный источник, экстрагирующую и фокусирующую ионную оптику, ускоряющую систему, масс-сепаратор, устройство сканирования ионного пучка, источники питания, приемную камеру, вакуумную систему, устройства контроля и управления технологическим

процессом. Оно характеризуется диапазоном энергии ионов от десятков кэВ до нескольких МэВ и плотностью
ионного тока от 1Е10 до 1Е19 ион/см2.																Источники ионов: с горячим, холодным и полым
																катодом; дуоплазмотроны; источники с ВЧ и СВЧ
			2													возбуждением; с поверхностной ионизацией. Для
			3						4			5			6	получения многозарядных (двух или трехзарядных)
																ионов используются дуговой источник с катодом
																косвенного накала.
																Ускоритель ионов предназначен для сообщения ионам
	1					7		7				7
																необходимой энергии (E=qezUу, где qe – заряд
																электрона, z – кратность ионизации, Uу – ускоряющее

Рис.33 Структурная схема установки ионной имплантации: 1 – источник ионов; напряжение) и фокусировки пучка при его движении

	2 – масс-сепаратор; 3 – система ускорения; 4 – система сканирования;	вдоль ускорителя. Он может располагаться до или
	5 – камера дрейфа ионов; 6 – приемная камера; 7 – вакуумная система
		после масс-сепаратора.

Масс-сепаратор применяется для отделения имплантируемых ионов от других веществ, присутствующих при формировании пучка в источнике ионов, т.е. для создания моноизотопного пучка ионов. Принцип его действия основан на различии радиуса R отклонения ускоренных электрическим потенциалом U ионов с разной массой m и зарядом zq в магнитном поле с индукцией B.

Устройство сканирования ионного пучка направляет сфокусированный ионный луч в нужное место мишени по заданной программе. В оборудовании ионной имплантации применяются три способа сканирования: механическое, электростатическое и комбинированное. При электростатическом сканировании ускоренный потенциалом U ионный луч отклоняется от направления своего движения потенциалом Ur отклоняющих электродов длиной l и расстоянием между ними d на угол .

R	1			2mU
	B			zq
tg			U r			l
				U		2d

Отклонение ионного луча на поверхности мишени равно y= L tg , где L – расстояние от отклоняющей системы

до мишени. Система сканирования должна обеспечивать однородность легирования поверхности, поэтому необходимо учитывать наклон мишени к направлению движения ионного пучка, неравномерность скорости сканирования луча при различных углах , диаметр или стороны сечения ионного пучка, неравномерность

плотности ионного тока по сечению пучка.

Приемная камера служит для загрузки, фиксации, перемещения во время легирования и выгрузки обрабатываемых изделий.

		Отклоняющая система	tg	U r l
	l	Ur		U 2d
	Ei = qU
	d

L