4.Оборудование для ионного легирования

М одифицирование поверхностных слоев материалов тонами определенного выбранного вида осуществляют на специальных технологических ускорителях – ионно-лучевых установках (ИЛУ) легирования. Диапазон энергий, в пределах которого обычно ускоряют ионы, распространяется от 20 до 450 кЭв. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов (рис.1.7).

Рис.1.7. Структура установки ионно-лучевого легирования: 1 – система напуска рабочего вещества; 2 – источник ионов; 3 – система формирования ионного луча; 4 – ионопровод; 5 – сепаратор ионов; 6 – система доускорения; 7 – камера с образцами; 8-11 – системы откачки; 12 – блок питания ионного источника; 13 – блок вытягивающего и фокусирующего напряжения; 14 – блок питания сепаратора ионов; 15 – блок контроля дозы облучения

Наибольшее распространение получили установки средних и малых доз (рис.1.8). В этих установках энергия ионов обычно не превышает 200 кэВ, приемная камера заземлена. Магнитная сепарация осуществляется при низкой энергии ионов, поэтому можно использовать магниты малых габаритов. Для питания как обмотки магнита, так и ускорительной системы требуются маломощные источники.

Рис.1.8. Схема установки средних и малых доз: 1 - ионный источник; 2 – вытягивающий и фокусирующий электроды; 3 – магнитный масс-сепаратор; 4 – узел, находящийся под высоким потенциалом; 5 – регулируемая диафрагма; 6 – ускоряющая система; 7 – фокусирующая линза; 8 – система электростатического отклонения и сканирования пучка; 9 – приемная камера

Атомы исходной имплантируемой примеси могут вводиться в ионный источ­ник либо напуском (если примесь подается в виде газа), либо испарением (для жидкой или твердой примеси). В ионном источнике атомы ионизируются. Ионы вытягиваются соответствующим потенциалом в ускоритель, где ускоряются до заданных значений скоростей (энергий). После предварительной фокусировки в первой щелевой линзе пучок ионов направляется в электромагнитный сепаратор, в котором разделяется по массам таким образом, что все посторонние ионы отделяются от ионного пучка легирующей примеси. Здесь же осуществляется маcc-спектрометрия ионного пучка. Сепарированный пучок фокусируется систе­мой щелевых и квадрупольных линз в луч, который поступает в систему сканирования. Ускоренный сканированный луч направляется в приемную камеру, где располагаются обрабатываемые пластины.

Ионный источник (ИИ)—один из наиболее существенных узлов ИЛУ. Он состоит из собственно ИИ и устройства экстракции ионов. Конструкция ИИ и его характеристики в значительной степени определяют технологические возможности и эффективность работы ИЛУ.

К ИИ предъявляются следующие требования: генерирование однородного высокоинтенсивного ионного пучка со стабильными во времени параметрами; получение двухзарядных ионов и молекулярных ионов с высоким выходом; обеспечение высокой плотности ионного тока при максимально низких экстрагирующих напряжениях; ионизация газообразных (например, BF₃, AsF₃, PF₅, H₂, O₂, N₂ и т.д.) и парообразных (P, Sb, Al, и др.) примесей; легкая замена легирующего элемента; простота управления и замены источника; надежность работы.

Удовлетворение перечисленных требований в одном источнике является довольно сложной задачей. В связи с этим используется набор источников для работы с различными ионами. Применяются ИИ с горячим, холодным и полыми катодами; дуоплазматроны; источники с ВЧ и СВЧ возбуждением; с поверхностной ионизацией; типа плазма-поток и др.

Ионный источник должен обеспечить возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышающей потенциал ионизации атома, в результате чего будут образованы положительные ионы. Классический метод ионизации – электрический разряд в газе. Поэтому большинство источников содержит следующие конструктивные элементы: разрядную или ионизационную камеру, которая в ряде случаев является несущей конструкцией источника; анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры; источник электронов (обычно термокатод), служащий для подачи в зону разряда необходимого количества ионизирующих энергетических электронов; магнитную систему для повышения эффективности ионизации и плотности плазмы в зоне экстракции ионов; электроды экстрагирующей и первичной фокусировки пучка для экстракции ионов из зоны плазмы. Экстрагирующая система является одновременно и первичным ускорителем ионного пучка.

К вспомогательным системам, обеспечивающим работу ИИ, относятся: си­стема подачи рабочего газа; устройство испарения (распыления) твердого леги­рующего материала; система источников питания. Последняя обеспечивает не­обходимые анодный и экстрагирующий потенциалы, а также питание катода и электромагнитной системы.

Устройства ускорения ионного пучка должны ускорять пучок необходимой ионной концентрации до заданной энергии с минимальной потребляемой мощно­стью; быть компактными; дополнительно фокусировать пучок при его транспор­тировании вдоль ускорителя: обеспечивать минимальное рассеяние и загрязне­ние пучка; исключать электрические пробои между элементами ускорителя; иметь эффективную защиту от рентгеновского излучения и высокого напря­жения.

Ускоритель ионов в зависимости от конструкции ИЛУ располагается до или после масс-сепаратора. Он ускоряет ионы до заданных энергий и осуществляет их дополнительную фокусировку. Ускоритель обычно изготавливается в виде трубки с секционным расположением в ней электродов, разделенных между собой изоляционными кольцами.

Масс-сепаратор применяется для очистки пучка ионов от нежелательных элементов, которые могут присутствовать при формировании пучка в ИИ. Ра­бота масс-сеператора основана на разном отклонении ионов в магнитном поле в зависимости от массы и заряда. Подбирая величину напряженности магнит­ного поля, можно получать на выходе сепаратора пучок только тех ионов, ко­торые необходимы для легирования.

Связь между магнитной индукцией и параметрами сепарируемых ионов имеет следующий вид:

(1.24)

где R - радиус отклонения иона; M₁ - масса иона; (q - заряд иона; B - маг­нитная индукция; U - ускоряющее напряжение.

Как видно из (1.24), частицы с одинаковой энергией, но разной массой отклоняются по разным траекториям, что и используется для отделения ненуж­ных частиц. В установках ИЛ обычно встраивается анализатор масс, по показаниям которого осуществляется настройка сепаратора на выделение нужных ионов. На рис. 1.9 показаны схема сепарации ионов и масс-спектр ионного пучка при легировании бором из ВС1₃.

Устройства сканирования ионного пучка предназначены для того. чтобы сфокусированный ионный луч направлять в нужное место полупроводниковой пластины по заданной программе. В различных установках ИЛ применяют три способа сканирования: полное механическое, полное электростатическое и гибридное. При полном механическом сканировании ионный луч остается неподвижным относительно подложки, а последняя перемещается по отношению к нему в вертикальном и горизонтальном направлениях. Полное электростатическое сканирование представляет собой перемещение ионного луча по поверхности неподвижной пластины. При гибридном сканировании луч сканируется в одном направлении, а подложка перемещается в другом.

Р ис.1.9. Схема масс-сепарации ионов в ионно-лучевой установке (а) и масс-спектр ионов при легировании бором из BCl₃ (б):

а) 1 – источник ионов; 2 – ускоритель ионов; 3 – коллиматор; 4 – магнитный масс-сепаратор; 5 – потоки ионов, отделенных от основного пучка; 6 – экран с отверстием; 7 – основной пучок легирующих ионов

Приемная камера предназначена для загрузки полупроводниковых пластин, перемещения их на позицию легирования и выгрузки. В современных установках все чаще применяют поштучную обработку пластин, автоматически вводимых в камеру и удаляемых из нее через вакуумные шлюзы. Специально сконструированные кассеты (подложконосители) обеспечивают герметизацию пластин в процессе их транспортирования с операции ионно-лучевой обработки на другую.

Вакуумные системы должны обеспечивать: рабочий вакуум в системе ионного транспорта и приемной камере не хуже 1,310^-4 Па; максимальную скорость откачки высокоэффективных (желательно безмасляных) средств откачки; минимальное газовыделение конструкционных материалов. Азотные ловушки на насосах, а также криогенные панели в объеме приемной камеры и внутри ионопровода повышают эффективность использования диффузионных откачных средств. Для быстрой смены подложек необходимы надежные вакуумные затворы и устройства для продувки сухим азотом ионопровода и приемной камеры в случае разгерметизации.