Ионный имплантер на средние энергии для технологических целей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКАЯ СХЕМА ИМПЛАНТЕРА, ЕГО ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И СИСТЕМЫ.

1.1 Ионные источники.

1.2 Ускорительная трубка.

1.3 Сепарирующий магнит.

1.4 Приемная камера.

1.4.1 Конструкция приемной камеры, методы измерения дозы облучения.

1.4.2 Схема измерения дозы.

1.5 Конструктивные особенности.

ГЛАВА 2. СИСТЕМА ПИТАНИЯ.

2.1 Генератор высокого напряжения.

2.1.1 Основной высоковольтный выпрямитель.

1.1.2 Трехфазный высокочастотный преобразователь.

2.2 Высоковольтный терминал.

2.2.1 Система передачи мощности на высокий потенциал.

2.2.2 Система питания ионных источников, принципы разделения управляющих и силовых модулей, состав и конструкция крейтов высоковольтного терминала.

2.3 Система питания на низком потенциале.

ГЛАВА 3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ.

3.1 Концепция распределенной системы управления.

3.2 Архитектура распределенной системы управления для имплантера.

3.3 Многофункциональный одноплатный помехоустойчивый контроллер «ЛОКУС».

3.3.1 Схемотехника контроллера «ЛОКУС».

3.4 Программируемый модуль блокировок.

Ионная бомбардировка твердых тел пучками ускоренных ионов с целью модификации свойств поверхностного слоя используется в различных отраслях современной науки и техники. Спектр применения ионно-лучевых технологий в настоящее время очень широк. В процессе взаимодействия атомных частиц с твердыми телами в зависимости от их вида, энергии, интенсивности облучения происходят сложные физико-химические процессы в поверхностном слое твердого тела. Такими процессами, инициируемыми облучением твердых тел атомными частицами, могут быть активация химических реакций на поверхности, распыление, внедрение, дефектообразование и т.д. [1,2].

При очень низких кинетических энергиях ионов (менее 5 эВ) взаимодействия происходят в самом поверхностном слое вещества. При этом наблюдаются такие явления, как десорбция, химические реакции, полимеризация и т.д. При кинетической энергии ионов, превышающей энергию связи атомов, происходят перемещения и поверхностная миграция атомов, т.е., генерация дефектов. При энергиях ионов, превышающих пороговую энергию распыления, решающую роль начинает играть выбивание атомов из поверхности мишени, т.е., ионное распыление. При увеличении энергии ионов доминирующими процессами становятся все более увеличивающиеся объемные нарушения решетки и глубокое проникновение ионов (ионная имплантация).

Ионная имплантация широко используется в электронной и микроэлектронной промышленности [1]. Уже в 1970 г. началось массовое производство интегральных схем с применением ионного легирования. Легирование (внесение примесей) полупроводников ионным внедрением существенно отличается от диффузионного. Основные преимущества ионного легирования: процесс происходит при относительно низких температурах; концентрация примесей может превышать предел их растворимости в полупроводнике; строгая геометрическая локализация легированных 5 областей уменьшает паразитную емкость переходов; возможность создания профиля распределения примесей порядка ОД мкм позволяет поднять рабочую частоту некоторых полупроводниковых приборов до 60 ГГц. Немаловажную роль имеет высокая воспроизводимость параметров и высокий процент выхода годных приборов на пластине (до 98%). Возможность широкого выбора легирующих примесей независимо от материала подложки при ионном легировании находит применение в новых разработках приборов фотоэлектроники. Сочетание ионного легирования с электронно-лучевым экспонированием позволило перейти в субмикронный диапазон размеров полупроводниковых структур.

Величина энергии имплантируемых ионов определяется требуемой глубиной залегания примеси, или, величиной проекционного пробега иона в полупроводнике. Расчетное значение проекционного пробега ионов фосфора в кремнии при энергиях 100 -600 кэВ составляет от 0,12 до 0,7 мкм [1], что покрывает технологические требования. Для ионов бора, который является наряду с фосфором одним из основных примесных элементов для легирования кремния, значения энергии составляют несколько меньшую величину. Характерные дозы облучения составляют около 1015 -2 см . Для облучения одной стандартной кремниевой пластины диаметром 76 мм ионным пучком с плотностью тока 100 мкА/см потребуется около 2 сек.

Ионные имплантеры для полупроводниковых технологий первоначально создавались на базе установок для разделения изотопов и электростатических ускорителей типа Ван дер Граафа. Первые промышленные имплантеры появились в конце 60-х годов, а в нашей стране в начале 70-х. Традиционной схемой для установок, выпускавшихся серийно, стал имплантер с послеускорением сепарированного пучка. В этой схеме источник ионов и магнитный сепаратор находятся под высоким потенциалом, в трубке ускоряется уже сепарированный пучок. Все установки серии «Везувий» [5], выпускавшиеся нашей промышленностью, имели такую схему. Преимуществом этого решения является отсутствие загрузки основного высоковольтного выпрямителя током ионов ненужных фракций, который достигает в ряде случаев до 90%. Основной недостаток - образование в ускорительном тракте 6 нейтральных частиц в результате перезарядки на остаточном газе и связанные с этим погрешности в измерении дозы облучения. Кроме того, требуется подводить дополнительную мощность на высокий потенциал для запитывания электромагнитного сепаратора. Эти установки работают в диапазоне энергий до 200 кэВ. Для высокоэнергетической имплантации была создана универсальная установка «Везувий-9», которая позволяет получить энергию однозарядных ионов до 600 кэВ. Эта установка имеет два высоковольтных выпрямителя по 300 кВ, две ускорительных трубки и приемную камеру под высоким потенциалом. На её базе создан промышленный имплантер «Везувий-15» с различными модификациями [5].

По своему назначению установки ионной имплантации можно разделить на два класса: для применения в серийном технологическом процессе в составе поточной линии, и для исследовательских целей - создания новых технологий, отработки технологических процессов. Первый класс установок оптимизируется на использование определённого сорта ионов, имеет, как правило, специализированный ионный источник и узкий диапазон энергий и токов, необходимый для конкретного технологического процесса. Установки второго класса должны иметь как можно более широкие диапазоны энергий и токов, универсальные ионные источники и развитую систему диагностики и измерений.

Основными параметрами, определяющими качество легирования в любом технологическом процессе (сильноточным, высокоэнергетическом и др.), являются высокая воспроизводимость дозы (не хуже 98 %) и как можно меньшая неоднородность внедренной примеси по поверхности мишени ( не больше 1%). Под воспроизводимостью дозы понимают не только равенство количества внесенной примеси, но и повторяемость основных режимов имплантера ( ток ионов, время имплантации, давление в приемной камере и т.д.). На степень однородности имплантанта влияют такие факторы, как модуляция и непостоянство тока ионного пучка, погрешности системы сканирования пучка, модуляция распределения плотности тока по сечению пучка.

Кроме того, необходимо обеспечить широкий динамический диапазон регулирования энергии, малый разброс по энергиям в пучке ( не хуже 0.1%), высокую 7 степень чистоты ионного пучка за счет высокой разрешающей способности сепаратора, максимальную степень автоматизации, максимально возможное время непрерывной работы, высокую надёжность и простоту обслуживания.

Установки серии «Везувий» в основном обеспечивают необходимые физические параметры в своих диапазонах энергий и токов, но имеют ряд существенных технических недостатков. Вся высоковольтная часть ускорителя, в том числе и высоковольтный выпрямитель, находятся в воздушной среде. Этим обуславливаются большие габаритные размеры установки, зависимость электрической прочности от состояния окружающего воздуха. Устройства под высоким потенциалом запитываются через масляные разделительные трансформаторы на низкой частоте, что значительно увеличивает материалоёмкость и, соответственно, стоимость всей установки. Недостаточно высокий уровень автоматизации увеличивает вероятность брака и сбоев в работе.

В период с 1988 по 1994 г. в ИЯФ СО РАН разработан и построен ионный имплантер на энергию до 600 КэВ с высокой степенью модульности и унификации всех узлов и систем, свободный от вышеперечисленных недостатков.

Целью работы явилось создание универсального ионного имплантера на энергию 300 - 600 КэВ, который может быть использован в исследовательских целях, а также взят за основу серии промышленных имплантеров для специализированных применений.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе описана установка ионной имплантации ИОН-ЗОО, являющаяся одной из серии ионных имплантеров, разработанной в секторе 5-11. В работе по созданию установки участвовал большой коллектив разработчиков, инженеров, конструкторов. Автор искренне благодарен участникам работы - Гончарову А.Д., Останину В.П., Черток И.Л., Алиновскому Н.И., Бублей A.B., Запяткину Н.П., Колоколовой Л.В., Малыгину А.Н., Матюшину Г.Г., Туликову B.C., Шамовскому В.Г. и руководителям проекта - Диканскому Н.С. и Сухина Б.Н.

Участие автора в этой работе выражалось по разным направлениям. В течение длительного времени под руководством В.Г. Шамовского автор занимался разработкой и испытаниями ионных источников с дуговым разрядом. Совместно с А.Д. Гончаровым и В.П. Останиным разработаны элементы системы питания и управления имплантера. Многие блоки и модули разработаны автором самостоятельно. На этапе сборки и отладки систем ускорителя автор фактически являлся координатором работ и ответственным за проведение экспериментов.

Подход к проектированию установок подобного рода на основе максимальной степени унификации и модульности всех систем доказал свою высокую эффективность. Благодаря этому оказалось возможным распределить работы по конструкторской доводке и изготовлению отдельных узлов по внешним организациям. В конструировании и изготовлении модулей высоковольтного терминала принимало участие СКБ НП, часть работ по изготовлению электроники низкого потенциала выполнена с участием НПО «СОЮЗ», конструкторский проект магнитного сепаратора выполнен при участии специалистов НИИ ХИММАШ. Заказчиком проекта являлось НПО «СЕВЕР».

Основные научные результаты:

1. Разработан и построен компактный ионный имплантер непрерывного действия на энергию 300 КэВ, имеющий горизонтальное расположение пучка с

106 возможностью работы на различных рабочих веществах с ионными источниками большинства известных типов.

2. Разработаны ионные источники двух типов: дуоплазматрон с холодным полым катодом и источник с ВЧ-разрядом. Оба ионных источника позволяют получать положительные ионы из газообразных рабочих веществ, в том числе и химически агрессивных.

3. Разработана приемная камера для групповой обработки полупроводниковых пластин с системой двойного механического сканирования. Разработана прецизионная система измерения дозы облучения на основе преобразователя заряд-частота.

4. Разработан высоковольтный выпрямитель на основе емкостного каскадного генератора с трехфазным питанием с повышенной нагрузочной способностью и малым уровнем пульсаций.

5. Разработан трехфазный высокочастотный преобразователь мощностью 4,5 кВт и широкий спектр силовой и управляющей электроники с использованием повышенной частоты (20 кГц).

6. Сформулирована и реализована концепция распределенной системы управления электрофизическими установками на базе локальных управляющих станций «ЛОКУС».

7. Реализована система защит и блокировок на базе программируемого арбитра аварийных состояний.

Практические результаты:

Построен и отлажен ионный имплантер с высокими физическими и техническими параметрами. Все узлы и системы установки показали свою высокую надежность и устойчивость к отказам. Система управления, включающая в себя специальные средства восстановления при сбоях в условиях мощных импульсных помех (например, пробоях на полное напряжение), показала свою исключительную живучесть и ни разу за время эксплуатации (~ 3 года) не явилась причиной аварийных или нештатных ситуаций в основных системах ускорителя.

107

Проведены пробные облучения мишеней ионами аргона, азота и бора. Установка получила высокую оценку многочисленных комиссий различного уровня и рекомендована к внедрению на автоматизированных технологических линиях микроэлектронного производства.

1. JI. Парнявичус, Ю. Дудонис Модификация свойств твердых тел ионными пучками.1. Вильнюс «Москлас» 1980.

2. М.Д. Габович, Н.В. Плешивцев, H.H. Семашко Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. Москва, Энергоатомиздат, 1986.

3. В.И. Донин, А.Ф. Шипилов, В.А. Григорьев Мощные непрерывные лазеры с увеличенным сроком действия. Квантовая электроника, т.6, №2, 1979 г. Стр. 359.

4. С.Н. Чумаков, В.Г. Шамовский Дуоплазматрон с холодным полым катодом. Препринт ИЯФ 91-42, Новосибирск, 1991 г.

5. В.В. Симонов, JI.A. Корнилов, A.B. Шашелев, Е.В. Шокин Оборудование ионной имплантации. Москва, Радио и связь, 1988 г.

6. А.Ф. Булушев, Ю.Д. Валяев, Н.С. Диканский, И.В. Казарезов, Л.Г. Самойлов Каскадные генераторы для ускорения электронно-ионных пучков (200 600 кэВ). Препринт ИЯФ 90-79, Новосибирск, 1990 г.

7. Ионный ускоритель для промышленности ИОН-ЗОО. /Алиновский Н.И., Бублей A.B., Гончаров А.Д., Чумаков С.Н. и др./ XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, ИФВЭ, Протвино, 25-27 окт.1994: Сборник докладов Протвино: ИФВЭ, 1994 - Т.4. - с. 250253.

8. Система питания ионных источников /Гончаров А.Д., Останин В.П., Сухина Б.Н., Чумаков С.Н. и др./ XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, ИФВЭ, Протвино, 25-27 окт.1994: Сборник докладов Протвино: ИФВЭ, 1994 - Т.4. - с. 47-49.

9. Система управления ионными имплантерами / Бублей A.B., Гончаров А.Д., Малыгин А.Н., Чумаков С.Н. и др./ XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, ИФВЭ, Протвино, 25-27 окт.1994: Сборник докладов Протвино: ИФВЭ, 1994 - Т.4. - с. 44-46.

10. JI.A. Бессонов Теоретические основы электротехники. Москва, Высшая школа, 1964.

11. У. Титце, К. Шенк Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1983.

12. Ю.Д. Валяев, И.В. Казарезов, В.И. Кузнецов, В.П. Останин Малогабаритный высокочастотный разделительный трансформатор для питания устройств, расположенных под высоким потенциалом. Препринт ИЯФ 89-160, Новосибирск, 1989 г.1.l

13. П.И. Немытов. Стабилизация и контроль основных параметров мощного электронного пучка промышленных ускорителей прямого действия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, 1997.

14. К.Н. Куксанов Электронные ускорители непрерывного действия мощностью сотни киловатт. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Новосибирск, 1993.

15. М.Э. Вейс Исследование, разработка и создание ускорительных трубок для мощных высоковольтных ускорителей электронов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, 1997.

16. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др. М. Радио и связь, 1991.

17. П.Л. Калантаров, Л.Р. Нейман Теоретические основы электротехники., в трех частях. Часть вторая. Государственное энергетическое издательство, Ленинград, 1959.

18. B.C. Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л.,1. Энергоатомиздат, 1980.

19. Proc. CERN Accelerator School, Fifth General Accelerator Physics Course, Jyvaskyla, 1992, CERN 94-01.

20. B.B. Симонов, JI.A. Корнилов, A.B. Шашелев, Е.В. Шокин Оборудование ионной имплантации. М., Радио и связь, 1988.

21. Д.В. Каретников, И.Н. Сливков, В.А. Тепляков, А.П. Федотов, Б.К. Шембель Линейные ускорители ионов. М., Госатомиздат, 1962.

22. Elkind М.М. Rev. Scient. Instrum., 24, No. 2,129 (1953).

23. Дж. Ливингуд Принципы работы циклических ускорителей. М., Издательство иностранной литературы, 1963.

24. Ian G. Brown The Physics and technology of Ion Sources. A wiley-interscience publication, New York, 1988.

25. Габович M.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972. 304 с.

26. Зорин Е.И., Павлов П.В., Тетельбаум Д.И. Ионное легирование полупроводников. М.: Энергия, 1975. - 270 с.

27. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация/Пер. с англ. Под ред. М.И. Гусевой М.: Наука, 1983.-360 с.112

28. С И. Молоковский, АД. Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки. Л. Энергия, 1972.

29. Вопросы атомной науки и техники, серия: техника физического эксперимента, вып.2/19/ 1984, Москва.

30. Е.Г. Комар Основы ускорительной техники. М. Атомиздат, 1975.

31. Труды пятого всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 5-7 октября 1976) том 1, М. Наука, 1977.

32. V.S. Tupikov, S.N. Chumakov, A.D. Goncharov, A.N. Malygyn, V.P. Ostanin, B.N. Sukhina. Advances in power supply and control system for electrostatic accelerators, Proc. Of PAC-95 Conference.

33. I.L. Chertok, S.N. Chumakov, A.D. Goncharov e.a. The power supply system of the ion sources. Proc. of EPAC-94, London, 1994, abstracts: p.52 (TUP53B(1)).

34. N.I. Alinovsky, A.V. Bublei, I.L. Chertok, S.N. Chumakov e.a. Ion accelerator for industry ION-300. Proc. of EPAC-94, London, 1994, abstracts: p. 121 (WEP16F).

35. A.V. Bubley, A.D. Goncharov, S.N. Chumakov e.a. Automatic control systems for ion implanters. Proc. of EPAC-94, London, 1994, abstracts: p. 183-184 (FRP05W).