Применение ионной имплантации для управления эксплуатационными свойствами. Ио́нная импланта́ция
и создания новых типов электронных и оптоэлектронных приборов и
жүктеу/скачать 0,85 Mb.
|
плотников 1
| и создания новых типов электронных и оптоэлектронных приборов и
интегральных схем (ИС): • сокращение длительности процесса введения примеси в 102 – 104 раз, однородность распределения по поверхности и воспроизводимость параметров; • возможность точного контроля количества вводимых атомов примеси простым интегрированием тока ионов на мишень, что особенно важно при пониженных концентрациях (например, сдвиг порогового напряжения в МОП (металл-оксид-полупроводник) – транзисторах); • высокая чистота процесса поскольку в ускорителях ионы разделяют по массам с помощью масс-сепараторов; • низкая температура процесса, поскольку облучаемая поверхность нагревается незначительно, это дает возможность избежать тепловой деформации при обработке точно изготовленных деталей; • простота методов маскирования участков на поверхности кристалла, которую следует или не следует легировать путем применения массивных оксидных, нитридных, металлических или фоторезистивных слое; • возможность легирования через тонкие пассивирующие слои (например, SiO2 или Si3N4); малая глубина внедрения ионов (обычно менее нескольких микрон, а иногда до десятков нанометров), что дает возможность легирования тонких приповерхностных слоев с очень крутым градиентом концентрации примеси ( например, для сверхбольших интегральных схем (СБИС) – с субмикронными размерами элементов); • многоступенчатой имплантацией посредством изменения ускоряющего напряжения (полиэнергетическая имплантация) можно создавать профили распределения имплантированных атомов любой заданной формы; • благодаря незначительному боковому рассеянию возможно изготовление особо миниатюрных приборов (субмикронная технология), обладающих низкими паразитными емкостями. К достоинствам технологии следует отнести также универсальность, легкость управления ионными пучками с помощью ЭВМ, т.е. возможность полной автоматизации, а также возможность создания неравновесных метастабильных систем, и совместимость с процессами планарной технологии. Технология внедрения примесных атомов (метод ионной имплантации) является высокоэффективной технологией управления физико-химическими свойствами материалов, в том числе полупороводников. К ее преимуществам относятся высокая воспроизводимость, локальность и точность имплантации, а также возможность введения в заданных количествах практически любой примеси. Основные системы и узлы модуля имплантации ФИП Сверхвысоковакуумный модуль нанолокальной имплантации фокусированными ионными пучками (ФИП) НТК «НаноФаб – 100» сочетает в себе технологии ФИП (реализованные в модуле травления ФИП) с методом ионной имплантации, что значительно расширяет возможности модификации структур, а также открывает новые перспективы их использования в области нанотенологий. Колона фокусированных ионных пучков с масс-фильтром Вина, которой оснащен модуль имплантации ФИП, была разработана в качестве альтернативного решения колоны с источником ионов Ga, используемой для ионного травления материалов. Наличие фильтра Вина дает возможность использования многокомпонентных ионных источников, отделяя и пропуская ионы с нужной массой, и задерживая остальные. В результате применения различных многокомпонентных источников, таких как AuSi, AuGe, AuGeSi, CoNd, CoGe и др., можно получить широкий спектр ионных пучков, как для травления так и для ионной имплантации. Отметим, что процесс ионного распыления (травления) материала происходит при достаточно низких энергиях (порядка и более 10 кэВ) и высокой плотности тока (режим остросфокусированного пучка) ионного пучка. Процесс ионной имплантации, наоборот, наблюдается при высокой энергии (30 кэВ и менее) и умеренной плотности тока пучка. На рис. 26 показан модуль имплантации ФИП, который входит в состав НТК «НаноФаб-100». Конструкция этого модуля представлена на рис. 27 (вид прямо и вид с боку). На модулях активной виброзащиты установлена вакуумная камера ФИП. С помощью фланца камера через сильфон соединяется со сверхвысоковакуумным радиальным транспортным модулем. Шиберный затвор изолирует камеру от транспортного модуля при проведении сканирования или модификации поверхности образцов. На верхнем фланце вакуумной камеры установлена колонна фокусированных ионных пучков. В верхней части вакуумной камеры расположены детектор вторичных электронов, а также ионизационный датчик, позволяющий измерять давление в диапазоне 10-4 – 10-11 Торр. В нижней части камеры расположен фланец с разъемом для координатного стола и вентиль для станции предварительной откачки. На нижнем фланце камеры установлен магниторазрядный насос, снабженный дополнительно титан-сублимационным насосом. Все блоки питания и управления модулем имплантации ФИП размещены в стойке – шкафу электроники. Вакуумная система обеспечивает предварительную откачку камеры с помощью мобильной станции предварительной откачки. Станция включает безмасляный спиральный и турбомолекулярный насосы и позволяет откачать камеру до давления 10-6 мТорр. Для откачки до более высоких степеней вакуума используется магниторазрядный насос с прогреваемым геттером. Дополнительный титан-сублимационный насос необходим для увеличения скорости откачки. Поток ионов создается жидкометаллическим источником ионов (ЖМИИ). Острие источника выполнено в виде вольфрамовой иглы, смачиваемой галлием. Источник может работать при напряжении от 1 до 5 кВ (режим низкой энергии) и от 10 до 30 кВ (режим высокой энергии). При этом ток эмиссии может регулироваться от 1 до 30 мкА. Детектор вторичных ионов предназначен для регистрации низкоэнергетических вторичных электронов, формирующих изображение поверхности облучаемого образца. На рис. 28 приведена схема внутреннего устройства колонны ФИП. В оптимальном режиме ток эмиссии ионов галлия составляет 1-3 мкА. Ионы ускоряются до номинальной энергии (не более 30 кэВ). Пучок фокусируется двумя трехэлементными электростатическими линзами. Линза конденсора располагается непосредственно за источником ионов. Затем часть пучка вырезается апертурой. Для отклонения пучка и коррекции астигматизма служит дефлектор- стигматор. Линза объектива расположена сразу над образцом. Вторичные электроны, эмитируемые образцом регистрируются детектором. Размер пятна на поверхности образца зависит от значения тока и энергии ионного пучка. Размер пятна от пучка определяет разрешение при ионной имплантации. Так, для энергии пучка 30 кэВ при токе ионов галлия 1 пА разрешение составляет 5 нм; при токе ионов кремния 18 пА – разрешение 20 нм и при токе ионов золота 8 пА – разрешение 50 нм. 12.3 Ионное легирование полупроводников Процесс легирования материалов с помощью бомбардировки ионными пучками в промышленных масштабах наиболее широко применяется при производстве полупроводниковых приборов и микросхем. Метод ионной имплантации легирующих атомов обладает существенным недостатком. Он не позволяет получить концентрацию легирующих атомов выше определенного значения, не превышающего, как правило, 30% (ограничение из-за эффектов распыления). Этот предел может показаться относительно высоким, если рассматривать некоторые технологические задачи, в частности задачи полупроводниковой технологии. При ионной имплантации обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный энергетический барьер, внедряются в поверхностный слой, вызывая повышение концентрации атомов обрабатывающего вещества в последнем. Внедрению сопутствует мощное радиационное воздействие, связанное с рассеянием кинетической энергии ионов в сопротивляющейся среде обрабатываемого материала и приводящее к дефектообразованию. Под действием ионного луча вдоль границ слоев может происходить еще один имплантационный процесс – перемешивание первоначально разделенных разнородных компонент. Процесс перемешивания может включать в себя простое столкновительное перемешивание или более сложные диффузионные процессы, происходящие при лучевой обработке. Ионно-лучевое перемешивание может вызывать протекание твердофазных реакций между соответствующими компонентами слоев (например, металлов с кремнием, в результате образуются силициды) и приводить к образованию метастабильных фаз и новых сплавов при температурах ниже тех, при которых эти процессы протекают термически. Таким образом, ионная имплантация охватывает три взаимосвязанных процесса – внедрение (легирование), радиационную обработку (дефектообразование) и перемешивание разнородных компонент. Созданные в результате ионной бомбардировки радиационные дефекты можно устранить отжигом. Отжиг ионно-легированных слоев вещества необходим еще и по другой причине. Так как цель легирования в микроэлектронике – изменение электрофизических свойств материала, например типа проводимости, то внедренные атомы примеси должны быть электрически активны. Это означает, что ион примеси должен заменить атом вещества в узле решетки и вступить в электронные связи с соседними атомами. Подавляющая часть атомов, возникших из внедренных ионов, после окончания процесса легирования электронейтральна и находится в междоузлиях. Отжиг, т. е. нагрев вещества до определенной температуры в течение некоторого времени, приводит к термической активации примесных атомов и ускорению процесса диффузии, в результате которой происходят восстановление структуры решетки и замещение атомов вещества атомами примеси. В технологии микроэлектроники обычно используются два метода отжига: термический и лазерный. При использовании метода ионной имплантации в планарной технологии кремния очень часто проводят отжиг в окислительной атмосфере. Одновременно с отжигом при этом получается маскирующая пленка, необходимая для следующих технологических операций. Благодаря этому окислительному отжигу, профиль распределения имплантированных ионов изменяется существенно больше, чем при отжиге в инертной среде. Рассмотрим изменение распределения внедренных ионов при комнатной температуре в полупроводниковую подложку, вызванное термообработкой после легирования (диффузионная разгонка при заданной температуре). Этот случай часто имеет место при обычных отжигах после имплантации и служит для устранения радиационных дефектов и формирования окончательного распределения примесных атомов, а также распределения носителей тока. Распределение внедренных ионов характеризуется средним пробегом ܴത , стандартным отклонением ∆ܴത , дозой облучения Q (см-2) – число падающих ионов на единицу площади, и записывается в форме кривой Гаусса: Уравнение термодиффузии при постоянном коэффициенте диффузии D (не зависящем от глубины x) для одномерного случая записывается в виде Считая полупроводник бесконечно протяженным, получим нормированное распределение примеси по глубине x при разгонке в течение времени t: При термическом отжиге равномерно нагревается весь образец, определенные области которого подвергнуты легированию. Так, германий нагревается до температуры 380°С, а кремний – до 570°С в течение 30–40 мин. При таких режимах нагрева решетка вещества успевает восстановиться благодаря диффузии. Диффузионная длина, т. е. среднее расстояние, которое пройдет частица за время τ в результате диффузии, равна L0 ≈ (D0τ) 1/2. Коэффициент термической диффузии атомов в кристалле при температуре отжига D0 ≈ 10-12 см2 /с. При этом значение L0 ≈ 4·105 см ≈ 0,4 мкм. Так как диффузионная длина примерно соответствует среднему размеру кластера, то рекристаллизация решетки осуществляется достаточно эффективно. Механизм лазерного отжига уже нельзя объяснить только процессами диффузии, так как за время τ ≈ 100 нс диффузионная длина при D0 = 10-11 см2 /с составляет L0 = 3·10-10 см = 3 нм. Наиболее приемлемое объяснение эффекта отжига заключается в том, что в зоне воздействия лазерного луча происходит плавление материала; время пребывания в расплавленном состоянии составляет 10-8–10-7 с. Затем наступает кристаллизация вещества при очень большой скорости остывания (108 –109 К/с). Высокая напряженность электрического поля во время импульса, доходящая до 105 В/см, может приводить к ионизации примесей, что ускоряет процесс отжига ионно-легированного слоя. Ионная имплантация с осаждением покры- тий - технология формирования параметров ка- чества в процессе как ионной обработки, так и последующей эксплуатации поверхности. В ре- зультате высокоэнергетической обработки в мо- дифицированном переходном поверхностном слое может быть получена достаточно высокая концентрация вводимых атомов [1, 2]. Однако поскольку бомбардирующие ионы претерпевают многочисленные упругие соударения с атомами кристаллической решетки, в имплантированном слое образуется большое количество радиаци- онных дефектов, как правило, на 2...3 порядка превосходящее число имплантированных ато- мов. Эти два процесса оказывают существенное влияние на физико-механические и физико- химические свойства поверхности, приводя в некоторых случаях к структурным и фазовым превращениям. Сформированный данным мето- дом слой композиционного материала обеспечи- вает эксплуатацию, при которой система трения самоорганизуется в направлении низкой интен- сивности участка нормального износа [1,2]. С целью выявления механизмов диссипа- ции и поглощения энергии ионных потоков барьерами, сформированными предыдущей об- работкой, было проведено компьютерное мо- делирование поведения атомов модифицирую- щего элемента [3] (в нашем примере - хрома) в кристаллической решетке мартенсита зака- ленной инструментальной быстрорежущей ста- ли Р6М5. Сразу после имплантации эти атомы (ионы) попадают в положение внедрения. Они либо рас- полагаются в междоузлиях (тетраэдрических или октаэдрических), либо образуют несимметрич- ные гантельные конструкции. Такие конфигура- ции атомов хрома являются неравновесными из- за больших упругих искажений решетки вокруг них. В то же время эти конфигурации должны обладать высокой подвижностью из-за энергии, вводимой в систему. При миграции внедренных атомов возможно: 1) взаимодействие с вакан- сиями и переход в стабильные конфигурации замещения; 2) взаимодействие между собой или с другими примесями в твердом растворе (на- пример, с углеродом) с образованием комплек- сов; 3) уход на стоки (дислокации, границы зе- рен, межфазные границы) [4]. Концентрация ва- кансий в поверхностном модифицированном слое в процессе имплантации существенно по- вышается за счет вносимых радиационных по- вреждений. Поэтому одной из наиболее вероят- ных диффузионно-контролируемых реакций яв- ляется переход внедренных атомов хрома в позиции замещения. Для анализа поведения атомов хрома в ре- шетке мартенсита и оценки возможности и веро- ятности образования комплексов атомов хрома был использован метод молекулярной динамики. Для его реализации необходимо знать потенциа- лы межатомного взаимодействия [5] в системе железо-хром. Оценка возможности и вероятности обра- зования, а также роста комплексов атомов хрома в решетке мартенсита проводилась путем расчета энергии связи для различных комбинаций атомов хрома, помещенных в узлах кристаллической решетки. Расчет производится для двух-, трех- и четырехатомных конфигураций. Возможность образования комплекса определялась знаком энергии его связи, а вероятность возникновения той или иной конфигурации - величиной этой энергии. Энергия связи комплекса из атомов находилась из зависимости ного слоя на быстрорежущей стали Р6М5 тол- щиной около 1 мкм (рис. 1а). В этой зоне зафик- сирован рост величины микротвердости от 5000 МПа в исходном состоянии до 20000 МПа после модификации при нагрузке на индентер 10 г (рис. 16). К і 1][Ф сгСгЬ)-Ф Ре С г Ь ) ] + ^ - « 4 . где ФСгСг и ФРеСг - потенциалы взаимодействия атомов Сг и атомов Сг и Fe; E nR и E lR - энергии релаксации комплекса из атомов Сг и одного атома Сг. Энергии релаксации представляют раз- ности полных потенциальных энергий кристал- лита, содержащего дефект, до релаксации и по- сле нее. Анализ выполненных расчетов равновесных конфигураций изолированных атомов хрома в позиции замещения в решетке мартенсита пока- зал, что параметр решетки должен увеличиться в среднем на (4...14)10~2 % в зависимости от кон- центрации хрома в твердом растворе. При этом расчетный релаксационный объем для одного атома хрома должен составить -0 ,1 1£20. Знак минус в зависимости предсказывает появление в поверхностном модифицированном слое полез- ных для эксплуатации в условиях трения сжи- мающих напряжений. Расчеты показали, что при всех возможных вариантах относительного расположения атомов хрома в узлах решетки мартенсита им энергети- чески выгодно образовывать комплексы, особен- но в случае, когда атомы хрома являются бли- жайшими соседями. Можно* отметить, что с уве- личением числа атомов хрома в комплексе энергия связи растет: для двух атомов £ с2вСг = =+0,09 ±0,01 эВ, для трех атомов £ с3вСг = = +0,17 ±0,01 эВ, для четырех атомов Е ^ Т = = +0,23 ±0,01 эВ. Этот факт также свидетель- ствует об энергетической целесообразности та- ких соединений. Экспериментальные исследования ионно- вакуумных процессов подтвердили результаты расчетов. При анализе ОЖЭ-спектров было вы- явлено наличие модифицированного переход ----------- Рис. 1. Зависимости распределения химических элементов на поверхности образца из быстрорежущей стали Р6М5 после ионно-вакуумной модификации (а), изменения мик- ротвердости Ям поверхности от нагрузки на инденторе (б) в исходном состоянии (1) и после модификации (2) В результате рентгеноструктурного анализа было зафиксировано значимое увеличение пара- метра решетки мартенсита в модифицированной поверхности с 0,2879 до 0,2883 нм. Одновремен- но отмечено смещение основных рефлексов мар- тенсита в сторону меньших углов дифракции для линий (110) и (200) или некоторое уменьшение полуширин линий отражения мартенсита. Все это подтверждает расчеты об упрочнении моди- фицированного слоя хромом и увеличении уров- ня сжимающих напряжений. Исследование микроструктуры показало, что после ионно-вакуумной обработки снижается общее количество микротрещин в поверхност- ной области без существенного изменения кар- тины распределения фаз. Сформированная пере- ходная зона становится барьером для выхода на поверхность микродефектов и приводит к повы- шению износостойкости быстрорежущей стали. В результате комбинированная ионно-ваку- умная модификация поверхности инструмен- тальной быстрорежущей стали хромом при- водит к ее упрочнению, что и было предсказано моделированием диссипации энергии процессов ионной обработки и эксплуатации изделия. Предсказанные расчетом образование и рост комплексов хрома в решетке мартенсита энерге- тически выгодны и могут быть зародышами предвыделений интерметаллидной фазы, повы- шающей эксплуатационные трибологические свойства поверхности. Экспериментальный ма- териал, основанный на результатах исследова- ния структуры многокомпонентных покрытий при нормальном и наклонном к поверхности па- дении ионов, позволил рассмотреть механизмы формирования покрытий [6, 7]. Предположим, что имеется подложка с иде- ально гладкой поверхностью, на которой распо- ложены два микровыступа. Пусть к ней прило- жен отрицательный ускоряющий потенциал. Примем, что ионный поток, направленный к подложке, состоит из однозарядных ионов двух элементов, значительно отличающихся по массе. Вдали от подложки ионы имеют скорость, вектор которой направлен перпендикулярно поверхно- сти подложки. При подлете ионов к микровы- ступам их направление меняется ввиду значи- тельного изменения напряженности электриче- ского поля. Вследствие различия масс ионов их отклонения будут разными. Траектория движе- ния ионов с меньшей массой имеет большую кривизну, и они преимущественно осаждаются в районе вершины микровыступов. Ионы с боль- шей массой и нейтральная фаза (пар, капли, ос- колки) осаждаются более равномерно. Таким образом, вследствие неоднородности напряженности электрического поля у поверхно- сти подложки наблюдается сепарация ионного потока по массе, а в реальной ситуации - и по заряду. Такая сепарация ионного потока на пер- вом этапе формообразования покрытия приведет к его быстрому росту на вершине микровыступа. Причем по мере роста радиус закругления вер- шины будет уменьшаться. Все это приведет к тому, что в какой-то момент времени радиус за- кругления вершины микровыступа, а следова- тельно, и напряженность электрического поля достигнут таких величин, что коэффициенты распыления и конденсации здесь станут равными и рост микровыступа прекратится. В то же время между микровыступами по-прежнему будет идти рост покрытия за счет преимущественного осаж- дения тяжелых ионов и нейтральной фазы, при- водящий к тому, что в определенный момент пространство между ними заполнится настолько, что оно само станет местом для роста нового микровыступа-пика, т. е. здесь произойдет по- вышение напряженности электрического поля, и процесс повторится (рис. 2а). В рассматриваемой модели сепарация ионно- го потока осуществляется по массе. В то же вре- мя в реальном процессе в потоке присутствуют ионы с различными по величине зарядами, что будет приводить и к сепарации по заряду. Рас- смотрим влияние энергии ионов на процесс фор- мирования пиков. При ионно-вакуумной обра- ботке процесс конденсации сопровождается рас- пылением ионов. Причем если на поверхности конденсации имеются выступы, способствующие повышению напряженности электрического по- ля, то на них следует ожидать интенсификации процесса самораспыления. Коэффициент ионного распыления материа- лов зависит от угла падения ионов, следо- вательно, увеличение пика будет происходить неравномерно. На склонах микровыступов рост окажется меньше, чем на вершине, что приведет к заострению и достижению такой напряженно- сти электрического поля, при которой рост пика прекратится. С повышением энергии ионов оди- наковой массы максимумы коэффициента рас- пыления смещаются в сторону больших углов [7], поэтому пик заостряется быстрее, а следова- тельно, быстрее будет достигаться условие, при котором распыление начнет превалировать над конденсацией, т. е. с ростом энергии ионов высо- та образующихся пиков уменьшается. При угле падения ионов на подложку, отлич- ном от нормального, для структуры покрытия характерно наличие полос. Причем на сторонах выступа с меньшим отклонением от нормали осаждаются преимущественно легкие и много- зарядные ионы, а на стороне с большим откло- нением - тяжелые и однозарядные ионы, а также нейтральные фазы. В данном случае роста пика с заострением его вершины не наблюдается, а по- крытие наращивается полосами, формирую- щимися за счет сепараций ионного потока. Уве- личение абсолютных значений потенциала сме- щения, прикладываемого к подложке, повы- шая энергию ионов, стимулирует самораспыле- ние, при этом формирующиеся полосы будут выражены менее отчетливо [6, 7]. В результате при конденсации многокомпо- нентного ионного потока будут существовать зоны, в которых концентрируются преиму- щественно легкие и многозарядные ионы, и где процесс самораспыления осуществляется более интенсивно, чем в других областях (рис. 26). Следовательно, в покрытии содержание легких элементов и элементов, образующих многозаряд- ные ионы, из-за самораспыления будет умень- шаться. Таким образом, модель формирования много- компонентных вакуумных электродуговых по- крытий основана на принципе сепарации ионов по массе и заряду в районах выступов раз- личного происхождения в результате повыше- ния на них напряженности электрического поля. Следовательно, при отсутствии электрического потенциала или при равенстве масс входящих в поток ионов различных компонентов пико- образная структура наблюдаться не должна. В результате исследования ионно-вакуумной обработки можно отметить, что в модифициро- ванном поверхностном слое детали происходят специфические процессы, тормозящие развитие микропластичности вследствие проявления раз- ностных дефектов в смещениях при движении дислокаций. Эти процессы аналогичны образова- нию разностных дислокаций при перемещении совершенных дислокаций через границу с малой некогерентностью [4, 5]. Внешним воздействием, которое заставит систему организовываться в направлении, предсказанном расчетом, может быть как энергия ионов и атомов, которую они приобретают, участвуя в процессах ионной им- плантации и ионного осаждения покрытия, так и энергия, выделяемая при прохождении процес- сов, сопутствующих эксплуатации изделия, на стадиях приработки, износа и разрушения. ЛИТЕРАТУРА 1. Синергетические аспекты физико-химических мето- дов обработки / А. И. Гордиенко, М. Л. Хейфец, Б. П. Чеми- сов и др. - Мн.: ФТИ НАНБ; Полоцк: ПТУ, 2000. - 172 с. 2. Хейфец М. Л., Кожуро Л. М., Мрочек Ж. А. Про- цессы самоорганизации при формировании поверхностей. - Гомель: ИММС НАНБ, 1999. - 276 с. 3. Кирсанов В. В. ЭВМ - эксперимент в атомном ма- териаловедении. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 304 с. 4. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атом- издат, 1972. - 600 с. 5. Коэн М. Л., Хейне Ф., Филлипс Дж. К. Квантовая механика вещества // Успехи физических наук, 1984. - Т. 1 4 2 .-№ 2 .-С . 309-329. 6. Емельянов В. А., Мрочек Ж. А., Иванов И. А. Ва- куумно-плазменные способы формирования защитных и упрочняющих покрытий. - Мн.: Интеграл, 1998. - 286 с. 7. Мрочек Ж. А., Эйзнер Б. А., Марков Г. В. Основы технологии формирования многокомпонентных вакуум- ных, электродуговых покрытий. - Мн.: Навука і тэхніка, 1991. - 96 с. жүктеу/скачать 0,85 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|