2.6 Оборудование для элионной обработки

Оборудование для ионной имплантации.

Общие сведения.

Преимущества ионного легирования перед термодиффузией (900-1300 °С)

1) Легирование атомами любых веществ независимо от предельной растворимости при любых температурах.

2) Создание в подложке скрытого слоя на некотором состоянии от поверхности подложки.

3) Получение неглубоких (до 1000 А (ангстрем)) легированных слоев в том числе ступенчатых.

4) Легирование подложки через защитный слой.

5) Легирование с высокой точностью глубиной и профилем распределение примесей в подложке путём изменения энергии и дозы вводимых ионов примесей.

К недостатком ионной имплантации можно отнести сложность оборудования и остаточные радиационные дефекты в подложке.

Установки ионной имплантации разделяют на три основных типа:

- малых и средних доз

- больших доз с интенсивными ионными пучками

- высокоэнергетические

В установках малых и средних доз интенсивность тока ионного пучка составляют от

единиц микроампер до 500-800 мкА.

В установках больших доз (сильноточных) - от 1 до 200 мА.

Оба типа установок работают в области энергий от 30 до 200 кэВ. Максимальная энергия высокоэнергетических установок может превышать 1 МэВ.

Установки ионной имплантации обычно состоят из источника ионов 1, магнитного масс-сепаратора 3, систем ускорения 6 и сканирования 8 пучка, приемной камеры 9 и вакуумной системы. Основным отличием этих установок является потенциал приёмной камеры, масс-сепаратора и источника ионов относительно друг друга.

Компоновки установок ионной имплантации: а - малых и средних доз, б - с разделением ионов по массам после ускорения, в - сильноточных,

г - высокоэнергетических, д - больших доз; 1 - источник ионов, 2 - система вытягивания и первичного формирования пучка, 3 - магнитный масс-сепаратор, 4 - высоковольтный модуль, 5 - регулируемая диафрагма, б - система ускорения, 7 - фокусирующая линза, 8 -пластины электростатического сканирования и отклонения пучка, 9 - приемная камера

в) г)

Наиболее широко используется установка малых и средних доз, энергия ионов которой не превышает 200 кэВ, а приемная камера находится под потенциалом земли и магнитная сепарация осуществляется до полного ускорения пучка. Энергия ионов в сепараторе низкая, габариты небольшие, малые магниты, маломощные источники питания электромагнитного сепаратора и ускорительной системы. Установку с разделением ионов по массам после ускорения обычно используют для исследовательских целей. Высокий ток нагрузки высоковольтного источника питания, а также увеличения вторичной электронной эмиссии, повышает опасность облучения рентгеновскими лучами.

- достоинством сильноточной установки является простая система управления и питания источника ионов и электромагнита, малое количество потребляемой энергии высокого напряжения, а недостатком - трудный доступ к приёмной камере, высокий потенциал на ней и сложность автоматизации загрузки — выгрузки пластин.

-Высокоэнергетическая установка позволяет, приложив высокий потенциал к приемной камере, получить сверхвысокую (до 500 кэВ) энергию ионов. При дальнейшем увеличении энергии ионов возникает сильное рентгеновское излучение.

-В установке больших доз источник ионов находится под высоким напряжением, полное их ускорение в системе первичного формирования и большие токи пучка, а также даёт возможность полной автоматизации всех режимов работы.

В качестве рабочих веществ в разрядную камеру источника ионов подают такие газы, как водород, гелий, аргон, азот или газообразные соединения ВFз,РНз и AsFe3. Используя твердые вещества, температура парообразования которых не превышает 1000 °С (олово Сп, галлий Ga, сурьму Сb), их предварительно нагревают, ионизируют пары и подают в источник ионов через натекатель, регулируя скорость испарения изменением температуры нагрева. Твердые вещества, температура парообразования которых превышает 1000 °С, сначала распыляют в атмосфере аргона или ксенона, а затем ионизируют в плазме этого газа.

Масс-сепараторы служат для выделения из общего ионного пучка ионов необходимой массы и заряда. Для экранирования рентгеновского излучения в электродах линз используют специальные материалы (например, свинцовую резину). Кроме того, рентгеновское излучение экранируют постоянными магнитами и металлическими экранами, устанавливаемыми непосредственно в системе однозазорного ускорения.

Наибольшая напряжённость магнитного поля на равновесной траектории составляет 100 кА/м (8000Э) что позволяет разделять ионы в диапазоне масс 1-200 а.е.м. на промежуточной энергии ионов 15 кэВ. Питание обмоток электромагнита осуществляется от стабилизированного источника питания. Магнитная сепарация приводит пучок в моноионное состояние определённого химического элемента с током от десятков до тысячи мкА. Масс-сепораторы на постоянных магнитах с ортогональными магнитными и электрическими полями с одновременным воздействием постоянного и переменного электрических полей. Сепарация ионного пучка основана на взаимодействии движущихся ионов с магнитными и электрическими полями под действием силы Лоренца F=q/c [V,B] сила Лоренца - на 1 элементарный носитель заряда q движущийся со скоростью v в магнитном поле индукцией В.

Фокусируют пучки независимо от массы ионов электростатическими квадрупольными (сдвоенными или строенными) или трехэлектродными линзами.

- Система ускорения (ускоритель) и формирования пучка представляет собой ус­корительную трубку, из кольцевых стеклянных (керамических) изоляторов и металлических электродов, спаянных между собой. Расположением ускорителя относительно других элементов определяются конструкции и габариты установки, а также распределение высоких потенциалов по ее частям. Система сканирования обеспечивает равномерное легирование по всей пластине. В магнитном поле устройства сканирования ионный пучок склоняется на определённый угол. Поскольку отклонять необходимо пучок одинаково заряженных и имеющих одинаковые значения импульсов , то угол отклонения будет зависеть только от напряжённости магнитного поля и его протяжённости вдоль траектории ионов. Форма, размеры полюсных наконечников и межполюсного зазора обеспечивают однородность магнитного поля во всей области его действия на ионный пучок. Частота вращения барабана 20 об/мин. Этим обеспечивается механическое сканирование подложек в горизонтальной, относительно пучка области. После проведения имплантации необходим отжиг пластин с целью уничтожения радиационных дефектов. Лучший отжег - электо - лучевой, лазерный или галогенными лампами. Рентгеновское излучение - вторичные электроны набирают энергию свыше 300 к.э.в. чтобы этого не было высоковольтные системы делят на несколько блоков, а в ионопроводе размещают магнитные ловушки отклоняющие вторичные электроны в оси ионопровода и не позволяющие им набирать высокую энергию. Цилиндр Фарадея используют для измерения дозы и настройки ионной оптики до высокоэнергетического !!!!!!!!!!!. измерение дозы ионов осуществляется непосредственно с поверхности изолированного подложкодержателя 4 и с размещённой на нём подложки 5. в этом случае доза определяется общим током от зацитных экранов (корпуса цилиндра) и мишени к земле.

Установка «Везувий- ЗМ» малых и среди их доз, ток пучка которой равен от 10 до 1000 мкА, позволяет легировать полупроводниковые подложки диаметром 75, 100 и 150 мм ионами, обладающими энергией до 150 кэВ. Установка имеет устройство механического и электростатического сканирования пучка. Рабочими веществами являются трехфтористый бор, красный фосфор, металлические цинк и мышьяк. Производительность установки 400 подложек в час; неоднородность дозы имплантации <2 %.

К установке "Везувий- 5", предназначенной для имплантации подложек молекулярными ионами BF2, разработано устройство, работающее по принципу масс-сепарации и позволяющее получать на мишени пучки с энергией ионов 10—100 кэВ. Работа этого устройства состоит в отклонении пучка ионов BF2 заданной энергии на угол 7° на позицию легирования. Отделение молекулярных ионов BF2 от высокоэнер­гетических ионов бора осуществляется дисперсионной щелью шириной 40 мм, расположенной перед приемной камерой. Неоднородность дозы при легировании не превышает 4 %.

Установка "Везувий- 7М" ионной имплантации малых и средних доз предназначена для непрерывного режима работы в производстве МОП БИС, где требуется высокая воспроизводимость дозы легирования, и используется для имплантации ионов бора, фосфора и мышьяка в подложки диаметром 76, 100 и 125 мм. Установка оснащена двумя модифицированными источниками дугового разряда с катодом прямого накала, встроенными в масс-сепаратор, что способствует ее непрерывной работе без разгерметизации до 100 ч. Кроме того, два источника позволяют быстро чередовать имплантацию различных веществ. Введение в разрядную камеру специального отражателя повышает температуру плазмы источника и увеличивает выход ионов бора по отношению к ионам плазмообразующего газообразного вещества BF₃.

В масс-сепараторе применены постоянные магниты малых габаритов и массы, обладающие стабильным и однородным полем. Масс-сепаратор рассчитан на разные углы поворота для ионов различных веществ (бора 90°, фосфора 60° ) и соответствующий радиус поворота оптической оси пучка.

В установке использовано электростатическое двухкоординатное сканирование с частотой 30 - 2500 Гц

Дополнительные линзы на входе и выходе отклоняющей системы снижают нагрузки на высоковольтные блоки питания, уменьшают вторичную электронную эмиссию, снижает рентгеноопасность и нейтрализует пространственный заряд пучка в области его отклонения и сканирования.

производительность установки до 240 подложек в час при времени имплантации 7—10 с и дозах примерно 10 см~² , неоднородность - 1%.

Установка "Везувий-8" предназначена для имплантации больших доз (6,25 * 10¹⁵ ион /см² ) ионов массы до 20 а.е.м. и током 2-5 мА при энергии ионов до 100 КэВ для подложек диаметром 75, 100, 150 мм. Ионный разряд возбуждается в магнитном поле напряжённостью Н=15 кА/м (1200 Э), что необходимо для повышения эффективности ионизации газов и паров рабочих веществ. Ионный пучок ускоряется и поступает в масс-сепаратор. Масс-сепаратор представляет собой электромагнит секторного типа с углом поворота пучка 110° радиусом равновесной траектории 300 мм и межполосным зазором 50 мм.

У с т а н о в к а «Везувий 9» используют для имплантации многозарядных ионов. При этом энергия однозарядных ионов фосфора, мышьяка, сурьмы составляет 0,6 МэВ. двухзарядных - 1.2 МэВ, а трехзарядных — 1.8 МэВ. Источник ионов позволяет получать пучки двухзарядных ионов этих веществ интенсивностью до 600 мкА, а трехзарядных —-до 150 мкЛ. Суммарное ускоряющее напряжение составляет 600 кВ. В установке использовано двухкоординатное механическое сканирование подложек диаметром 76 и 100 мм относительно неподвижного пучка ионов. В высоковольтной системе установки, разделенной на два блока, имеются магнитные ловушки, ограничивающие энергию вторичных электронов до 200 кэВ.

Установка "Везувий 9М" является модернизированным вариантом высокоэнергетической установки ионной имплантации "Везувип-9". Модернизация расширила технологические возможности и повысила надежность установки. Так. установка "Везувий-9М" оснащена более эффективными источниками многозарядных ионов, повышающими ток двухзарядных ионов фосфора, мышьяка и сурьмы до 400 мкЛ. Кроме того, они позволяют получить для имплантации ионы тяжелых элементов с кратностью заряда 4,5 и расширяют набор ионов, используемых для высокоэнергетической имплантации.

Схема “Визувия – 8”

1 - привод вращения контейнера, 2 - нагреватель, 3 - контейнер с кассетами, 4 — приемная камера, 5 - дозиметр, 6 - полупроводниковая подложка, 7 - вакуумный щелевой затвор, 8 — азотная ловушка, 9 -система однозазорного ускорения, 10 - настроечный цилиндр Фарадея, 11 - устройство электромагнитного сканирования, 12 - электромагнитный масс-сепаратор, 13 - источник ионов

Цилиндр фарадея: 1, 2 - заземленная и подавляющая диафрагмы, 3 - корпус цилиндра, 4 -подложко-держатель, 5 - подложка

1- источник ионов

2 - ионопровод

3 - приёмная камера

4 - шлюзовая камера

NR - турбомолекулярный насос

NL - механический пластинчато-роторный насос

BS - сорбционная ловушка

BL - заливная азотная ловушка

VE - электромагнитный клапан

VM - клапан с электромеханическим приводом

VT - высоковакуумный затвор

VF - натекатили

VM - затворы поворотного типа с электромеханическим приводе

РТ - термопарный вакууметр

РА - ионизационный вакуумметр

1) Направляющая

2) Ходовой винт

3) Привод

4) Рабочая камера

5) Уплотнительная прокладка

6) Подложки

7) Вакуумная камера

8) Барабан

9) Кривошипный вал

10) Электропривод

11) Шлюзовое загрузочное устройство

12)Привод

13) Механизм загрузки/выгрузки

14) Кассеты

15) Дверка

16)Затвор

17) Вал

18) Шток

19) Подвижная плита

20) Зубчатая ременная передача

21) Электропривод

22)Гидроцилиндр

23) Неподвижная плита

24) Зубчатая ременная передача

Анализ возможных неисправностей и методы их устранения

Анализ сбоев в работе установки "Везувий - 8" показал, что основными отказами являются следующие:

№	Отказавший блок, узел	Вид отказа	Способ устранения отказа
1	Блок питания ионного источника (БПИ) и управления натекателем	1 Скручена ручка переменного резистора 2 Выход из строя трансформатора ТУМ-АК 3 Ток дуги выводится не более 1 А(при норме 5 А) 4 Ток разряда установки не более 1-5 А (при норме 3 А)	Замена резистора. Зачистка резистора Замена диода Вышел из строя диод D16 (Д242) Вышел из строя диод D20,D21.
2	Блок управления высоковольтным источником (20кВ) (БУВИ)	Не регулируется (устанавливается либо мах или не выводится)	Выход из строя м/с КР140УД1 Отсутствие обратной связи. Обрыв резистора R1,R2; Замена элементов.
3	Блок управление электромагнитом масс-сепаратора	При выключении стрелка зашкаливает влево Не управляется магнит	Закарачивоет обмотку на корпус Вышла из строя м/с КР140УД6А
4	Вакуумная система	Утечка по соединению • Не откачивают диффузионные насосы	Проверка течеискателем ТИ1-17, "Алькателем" Разборка диффузионной насоса, промывка, замена вакуумного масла.