2.7. Speciális ionos eljárások Ebben a fejezetben ízelítőt adunk azon eljárásokból, amelyek rokonai az ionimplantációnak. A különféle kombinált eljárásoknak széles arzenálja fejlődött ki az elmúlt évtizedben, valamennyi ismertetésére nem is térhetünk ki. Néhány prespektívikus módszerről azonban röviden beszámolunk. Az implantációs ismeretek alapján az egyes eljárások alapjai könnyen megérthetők. 2.7.1. Fókuszált ionnyaláb és alkalmazásai (Focused Ion Beams, FIB) A Bevezetésben már ejtettünk szót arról, hogy a fókuszált ionnyalábok felhasználása mindig is szerepelt a tervek között - valójában azonban, egészen a legutóbbi időkig nem alakult ki a FIB alkalmazásainak azon köre, amely már meggyőző lehetett. Technikailag még egy fontos kérdést kellett megoldani. Az optika azon elve, hogy egy fényforrrást önmagánál kisebb felületre jó minőségben fókuszálni bonyolult, természetesen igaz az ionoptikára is. Kis felületi fényességű, nagy felületű források tehát alkalmatlanok a FIB céljaira. A változáshoz a fémolvadék ionforrások (Liquid Metal Sources) megalkotása volt szükséges. Ezek a források - legelterjedtebben - az alacsony olvadáspontú és kis gőznyomású galliumot használják. Egy fűtött, -alakú W-huzal egyik (spirálalakúra hajlított) vége olvadt Ga-ot tartalmazó tégelybe merül. A felületi feszültség/nedvesítés révén az olvadt Ga elkúszik a huzal másik, kihegyezett végére, ahonnan mintegy max. 40 kv-os feszültség okozta térionizáció révén pozitív Ga-ionok válnak le. Világos, hogy egy ilyen ionforrás felületi fényessége rendkívül nagy és kiválóan alkalmas szubmikronos ionnyalábok előállítására. Ezek után nem meglepő, hogy egy FIB berendezés felépítése - a polaritástól és az ionforrástól eltekintve - gyakorlatilag azonos egy elektronmikroszkópéval. Az új generációs FIB-berendezések első sikeres alkalmazása talán az a bór ionokkal implantált zseb volt, amely a VLSI/ULSI áramkörökben szokásos szigetelő árkot helyettesítette, azaz amely gátolja két szomszédos tranzisztor nemkívánt kapcsolatát ("cross-talk"). A vizsgálatok során kiderült, hogy a megkívánt dózis/pásztázási idő 433
kapcsolata miatt a FIB használatakor jelentős önhőkezelődés is létrejön, így a rétegek tulajdonságai eltérnek a hagyományosan implantáltétól. Noha ez az alkalmazás már sok előnyt bizonyított, mégsem okozott áttörést. A várt áttörést az a koncepcióváltás hozta, amely az integrált áramkörök minőségellenőrzésének korábbi stratégiáját tette korszerűtlenné, gazdaságtalanná. Korábban ui. a szeletek elkészültekor az egyes chipeket - a kontaktusaikra "rálépő" tűkontaktusok segítségével (a sztatikus karakterisztikák lehetőleg teljes, a dinamikus karakterisztikák korlátozott kimérésével) funkcionálisan bemérték, tesztelték. Ezt követően a hibás chipeket kiiktatták a tokozás költségeinek megtakarítására. A mai áramkörök ezen állapotukban már olyan értéket jelentenek, hogy selejtezésük nem gazdaságos: kialakult a chipek megjavításának igénye, ill. ez vált stratégiává. Elsősorban a fémes összeköttetések javítása, azaz egyes vezetékek porlasztásos elvágása, ill. új összeköttetések készítése lett a FIB igazi területe. Annak köszönhetően, hogy a becsapódó Ga-ionok szekundér elektronokat váltanak ki, az in situ és valósidejű pásztázó elektronmikroszkópi képalkotás is lehetővé válik, a FIB készülékben folyamatosan megfigyelhető a megmunkálási folyamat. Ez a konkurrens lézeres rétegeltávolítás ("ablation"), ill. lézeres kémiai rétegleválasztással szemben nagyon kellemes előny. A hibás helyek lokalizációja mindkettőnél azonos nehézségű feladat (a készülékek árának nagyobb része ennek megoldásától függ). A porlasztás révén szinte tetszőleges alakú és mélységű metszetek készíthetők, ill. az ionok energiája révén (pl. W-tartalmú) ún. fémorganikus gázokból kívánt alakú fémcsíkok választhatók le. 434
2.7.2. Plazma Immerziós Implantáció (Plasma Immersion Ion Implantation, PIII) A ma PIII-nek nevezett eljárás fokozatosan alakult ki. Először a vákuumpárologtatáskor alkalmaztak egyenfeszültséget az ionos hányad felgyorsítására, hogy az belebombázza a neutrális atomokat is a felületbe. 2.66. ábra. Getterezés Plazma Immerziós Implantációs eljárással. a) Hátoldali Ar-implantáció, hibakeltésre, b) hőkezelés révén a fémszennyezések a hátlaphoz diffundálnak és ott megkötődnek (Cheung [1991] nyomán). 435
Ez a 2.7.3.-ban ismertetendő IBAD alapgondolata is. A beviendő anyagot tartalmazó gáz plazmaállapotba való alakítására több lehetőség kínálkozik. A legegyszerűbb és emiatt legelterjedtebb eljárás az, hogy a ritka gázelegyet nagyfrekvenciás térrel ionizálják (Penning kisülés). A negatív feszültségre előfeszített tárgy és a plazma között 140 PLAZMA ION IMMERZIÓ Si MULTIKRISTÁLYBA Rétegellenállás vs. immerziós idõ R s [Ω/ ] 120 100 U b =950 V, Gáz: 1% PH 3 -H 2 Hõkezelés: 600 o C, 10 min 930 o C, 5 min 80 60 40 0 2 4 6 8 10 Immerziós idõ [min] 2.67. ábra. A felületi rétegellenállás csökkenése növekvő dózis (besugárzási időtartam) esetén, 980 V egyenfeszültség hatására, sekély np-átmenet előállítására (Pintér I. [1997]) létrejön egy - a kisülési csövek fizikájából ismert - ionokat tartalmazó tértöltési réteg ("sheath"). Az implantáláshoz, azaz az ionoknak a tárgy felülete felé való gyorsításához lehet egyenfeszültséget vagy - akár 100 kv-os - impulzusokat alkalmazni. Ez utóbbi esetben minden impulzus alkalmával a plazma teljes "kiürülése" is elérhető. Ha a plazma elegendően sűrű (10 10-10 11 cm -3 ), a tárgy és a plazma közötti tér jelentős feszültségesést tud fenntartani. Az ionok a semleges atomokkal való ütközéseikhez tartozó szabad úthossznak megfelelően jutnak el a tárgyba vagy enyésznek el a vákuumrendszerben. Az ionok energia- és irányeloszlása a gáznyomástól, az alkalmazott feszültségtől, az ionok töltésállapotától és a tárgy felületének alakjától függ. Egyszerű alakjában a PIII-nál nincs sem tömegszeparáció, sem ionoptika, de az ionáramsűrűség nagyon nagy lehet (akár 10 16 cm -2 s -1 ) és nagyfelületű tárgyak is gyorsan besugározhatók. 436
Ha a t=0 időpillanatban feszültségimpulzust alkalmazunk, 10-9 s idő alatt felépül a kezdeti réteg, amelyből a tér kiszorítja a mozgékonyabb elektronokat. A pozitív ionoknak a tárgy felé való gyorsulásával együtt - mintegy µs alatt - kiterjed a tértöltési réteg. Ezt követően kialakul az egyensúly a Child-Langmuir törvény szerint. A feszültség lekapcsolása után, ill. annak újraindításával a folyamat ismétlődik. Az implantáció hatékonysága tehát olyan optimálási feladat, amelynél azt kell elérni, hogy az ionok ne tudjanak a tértöltési rétegen áthaladtukban rekombinálódni (Cheung [1991]). A 2.66. ábra a PIII egy sikeres félvezetős alkalmazását, a getterezést mutatja be. Egy további alkalmazást mutat a 2.67. ábra, amely PH 3 gázkeverékből előállított foszfor-ionokkal hoz létre npátmenetet olcsó napelemek előállítása céljából. A gyorsító tér 950 V egyenfeszültség volt volt. A fémek kopásállóságának növelésére ma már gyártmány-jellegű berendezések jelentek meg. A legimponálóbb alkalmazást a Los Alamos Nemzeti Laboratórium (USA) fejlesztette ki: mintegy két méter átmérőjű vákuumkamrában egyidejűleg 50 darab A390 alumínium-ötvözetből készült motor-dugattyút lehet felületkezelni: első lépés egy alacsony energiájú Ar ion bombázás, ezt követi egy nagyenergiájú szén ion implantálás, amelynek révén Al-C és Si-C keletkezik, ezt követi ismét egy alacsony energiájú Ar besugárzás a felületi grafitréteg eltávolítására, végül alacsony energiájú szén bombázással alakul ki az ellenálló réteg (Kodali és Nastasi [1996]). 437
2.7.3. Ionsugárral segített rétegleválasztás (Ion Beam Assisted Deposition, IBAD) A részben ionizált anyag-áramlás seítségével megvalósított rétegfelvitel, párologtatás két szempontból is kedvező a hagymányos vákuumpárologtatáshoz képest. Előszöris az ütközéses implantáció, valamint a sugárzás gerjesztette diffúzió, RED, révén létrejövő keveredés nem csak jobb rétegtapadáshoz, hanem eltérő kémiai fázisok létrejöttéhez 2.68. ábra. Ni-réteg leválasztása IBAD segítségével, molekuladinamikai számítás. Az egyenes vonalak mutatják az atomok újraeloszlását (Müller [1987] nyomán) is vezethet. A hazánkban, Vágó Gy. által kifejlesztett magnetronos változat ipari termékként kiemelkedő. A folyamatot molekuladinamikai modellezéssel mutajuk be a 2.68. ábrán. Az ábra négy időpontban mutatja egy 100 ev energiájú Ar-ion 438
hatását a párologtatással érkező Ni atomok újraeloszlására (Müller [1987]). Korrózió- és kopásálló felületi bevonatok készítésénél a módszer terjedőben van. Részletesebb ismertetését megtalálhatja az olvasó Itoh [1989] által szerkesztett monográfiában. Ugyanitt foglalkozik egy fejezet az Ion-fürtös (klaszter) rétegleválasztással is (253. o.). 2.7.4. Ionfürtös (klaszter) rétegleválasztás (Cluster Ion Deposition, CID) A CID alapötletét (Takagi et al. [1972]) a molekulaionokkal való implantáció adhatta (2.2.3.7.). Ha atomcsoportokat, molekulákat ionizálunk és felgyorsítunk, azok a becsapódáskor atomokra esnek szét és az egyes atomok, ionok a megmaradási tétel szerinti megosztásban viszik tovább a teljes impulzust. Ha nagy atomszámú a molekula, aránylag kis, a termikusnál nem sokkal nagyobb energia jut egy-egy atomra. (Többszörös ionizációra nem kell gondolnunk, mert a molekula automatikusan tovább bomlik, ha netán több atomja ionizálódik.) Ha tehát sikerül pl. ezer azonos atomból álló fürtöt előállítani és azt, mondjuk, 10 kv feszültséggel felgyorsítani, egy-egy atomra 10 ev energia jut, ami a felületi újraeloszlás mértékét valahol a molekulasugaras epitaxia (MBE) és az alacsonyenergiás implantáció között rögzíti. Ilyen nagy atomi fürtöket egy lefojtott, de megfelelően méretezett kilépő nyílással ellátott, párologtató forrással (pl. elektronsugaras) állítanak elő. Amikor ui. a (fém)gőz a nyíláson elhagyja a nagy gőznyomású teret, adiabatikusan kiterjed, lehűl és atomi fürtök, klaszterek képződnek. Ezeket ionizálják és gyorsítják. Egy 1630 C-on lévő tégelyből, 1 mm 2 -es fúvóka-nyílás esetén az ezüst-atomoknak mintegy 60%-a alkot 1000-2000-atomos fürtöket. Az egyes atomokra jutó energia ahhoz elegendő, hogy a felületen a termodinamikai egyensúlytól nem nagyon távoli metastabil állapotban akkomodálódjanak az atomok, ahhoz azonban kevés, hogy az implantációhoz hasonlítva jelentős mennyiségű rácshibát okozzanak. A CID révén tehát speciális metastabil szerkezetek állíthatók elő, olyanok, melyeket egyéb módon eddig nem sikerült előállítani. Így tudtak pl. 439
(111)-orientációjú szilíciumra ugyancsak (111)-orientációjú epitaxiális alumíniumréteget növeszteni. A technika elterjedésének napjainkban lehetünk tanúi. 440