автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Физико-технические принципы построения, разработка и применение высокоэнергетичных ионных имплантеров

На правах рукописи

АВДИЕНКО Александр Андреевич

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, РАЗРАБОТКАИ ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОННЫХ ИМПЛАНТЕРОВ

05.27.06 «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Компании «МЭТИС» (Филиал ФГУП «Красная Звезда»)

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Герасименко

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, с.н.с. И.В. Вернер доктор технических наук, профессор Г.И. Кирьянов доктор технических наук, профессор Б.П. Саушкин

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ -Физико-энергетический институт

Защита состоится «_» 2004 г. в_час. на

заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТа.

Автореферат разослан_2004 г.

Соискатель Г ' А.А.Авдиенко

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор ^ |А*-Коледов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рождение технологии ионной имплантации в производстве приборов микроэлектроники (МЭ), как известно, связано с изобретением Шоттки в 1956 г. способа формирования р-п перехода путем легирования полупроводникового кристалла ускоренными ионами.

Перспективность метода заключалась в высокой точности дозировки и предельной локальности внесения примесей без изменения рельефа исходного полупроводникового кристалла. Благодаря этим основным качествам, имплантация органически вошла в процесс производства приборов МЭ, и, наряду и совместно с процессами диффузионной разгонки, напыления, различными методами эпитаксиального наращивания обеспечила успехи современной МЭ.

Поскольку фазовые и структурные изменения при внедрении ионов в твердые тела определяют не только электрические свойств, как в полупроводниках, но и трибологические, прочностные и коррозионные свойства твердого тела, постольку технология ионной имплантации, будучи основой производства приборов МЭ, широко используется как в области опто-и акусто-электроники так и. в области машиностроения и металлообработки. В настоящее время технология имплантации стала универсальным и прецизионным инструментом для приспособления природных материалов для нужд человека и создания совершенно новых не существующих в природе материалов с уникальными свойствами.

Для решения технологических проблем на протяжении более чем 40 лет различными фирмами и предприятиями как за рубежом, так и в нашей стране было создано значительное количество установок для имплантации ионов. На рис.1 представлена хронология развития имплантеров. В нашей стране основное количество моделей имплантеров с широким спектром энергий и токов было разработано в НИИВТ им. СА Векшинского. В основном — это ряд установок «ВЕЗУВИЙ». Начиная с середины 80-х годов в г.Саратове на заводе «ЭЛМАШ» началось массовое производство установок ЛАДА-20 и ЛАДА-30, разработанных ОКБ завода на базе зарубежных моделей «Челленджер» и «Линтотт». Впоследствии эти установки были оснащены новыми приёмными камерами и поставлялись на предприятия как ИЛУ малых и средних доз ДНЕПР и ДОЗА, и ИЛУ больших доз ДЕКРЕТ. В средине 80-х, в связи с интенсивным развитием интегральной оптоэлектроники, квантовых приборов на гетероструктурах и СВЧ приборов на материалах А3В5 возникла необходимость разработки ионных имплантеров с энергетическим диапазоном, превышающим освоенные в промышленности 200 кэВ и пригодных для ускорения протонов. За рубежом, к этому времени существовали высоковольтные ускорители и имплантеры на их основе с энергией до 400 кэВ и даже до 1,5 МэВ. В основном это имплантеры фирмы High Voltage Engineering, Europe B.V. (Нидерланды), электростатические ускорители серии "TANDETRON" фирмы NEC (США). В нашей стране в НИИВТ им. С.А.Векшинского была разработана и изготовлена в 2-х

Рис. 1

экземплярах ИЛУ ВЕЗУВИЙ-9 с полной энергией 400 кэВ. Эги установки практически не нашли применения в промышленном производстве приборов МЭ, ввиду необходимости их размещения в специальном, радиационно защищенном помещении, низкой надёжности и малой производительности.

Проблема оснащения производства приборов МЭ высокоэнергетичными имплантерами ещё более обострилась в связи с повышением степени интеграции ИС и СБИС, созданием радиационио-стойких приборов и стремлением к сокращению технологического цикла и стоимости производства. Наличие высокопроизводительного оборудования высокоэнергетической имплантации позволит гибко управлять параметрами активных и паразитных компонентов в структурах кремний-на-изоляторе (КНИ). Создание компактных высокоэнергетичных ускорителей позволяет значительно улучшить ситуацию в области аналитического приборостроения с использованием неразрушающих и абсолютных методов элементного анализа, производства высокоинтенсивных нейтронных генераторов. Применение технологии высокоэнергетической сильноточной имплантации и разрабатываемое оборудование найдут широкое применение не только для решения задач МЭ, но и в машиностроении.

Цикл исследований и разработок, представленный в настоящей работе, вносит значительный вклад в развитие отечественного электронного машиностроения и является актуальным.

Личный вклад в работу. В научных результатах, представленных в диссертации, обобщен многолетний опыт работы автора,- который как исполнитель, научный руководитель и главный конструктор на основе оригинальных экспериментальных и теоретических исследовании электрофизических явлений и процессов в вакууме разработал широкий спектр технологического вакуумного оборудования для нужд электронной промышленности.

Лично автором поставлены и проведены все эксперименты по исследованию электрического разряда в вакууме и перекрытия вакуумных изоляторов, разработана и отлажена аппаратура для этих экспериментов, предложены и сформулированы основные положения механизмов развития разряда, перекрытия и пробоя изоляции. На основании и с использованием результатов экспериментальных и теоретических исследований лично автором сформулированы принципы построения высоковольтных изоляторов и ускорительных трубок, предложены технологии изготовления, рассчитаны и испытаны конкретные изделия. При разработке установок ионного легирования автором были предложены основные конструкторские решения как отдельных узлов и систем, так и установок в целом. Автором предложена модель отравления гексаборнд-лантанового катода и способ восстановления его эмиссии, проведены расчёты всех высоковольтных элементов, расчеты электромагнитных полей ионных источников, ускоряющих и транспортных структур, разработан алгоритм интерактивною программного управления, написан и отлажен пакет программного обеспечения верхнего уровня. В порядке запуска и опытной эксплуатации установок ионного легирования с

непосредственным участием автора были отработаны технологии изменения оптических и электрических характеристик материалов для опто- и акусто-электронных приборов, поставлены и выполнены эксперименты по формированию микроизображений методом протонолитографии. На основании результатов цикла поставленных автором работ по технологии ионно-лучевого упрочнения металлов и сплавов, разработана энергетическая модель трения-износа.

Автор искренне благодарен сотрудникам ИЯФ СО АН СССР, Русской высоковольтной компании, ОКБМ при НЭВЗ, КБ завода «Луч» и ГУП «Компания МЭТИС» за совместную работу и участие в проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Цель работы заключалась в: создании ряда малогабаритных высоковольтных ускорителей с энергией однозарядных ионов выше 200 кэВ и технологических установок на их основе;

- экспериментальном исследовании процессов ионно-лучевои модификации поверхностных слоев широкого класса материалов;

- технологическом применении разработанного оборудования для формирования субмикронной топологии и физической структуры приборов МЭ, упрочнении инструмента, оснастки и деталей машин и механизмов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать физические принципы1 построения малогабаритных высокоэнергетичных и сильноточных ионных имплантеров.

2. Экспериментально исследовать, выявить основные закономерности и разработать модели перекрытия вакуумной поверхности высоковольтных изоляторов и электрического пробоя вакуумного межэлектродного зазора.

3. Разработать методику расчёта, принципы конструирования и технологию производства высоковольтных вакуумных изоляторов и ускоряющих структур.

4. Определить ограничения и найти оптимальные конструкторские решения ионно-оптических трактов и элементов ионных имплантеров.

5. Разработать компактные мощные генераторы высокого напряжения и системы передачи мощности в высоковольтный терминал.

6. Разработать компоновочные решения малогабаритных высоковольтных имплантеров.

7. Разработать принципы построения АСУ имплантеров на базе ЭВМ, скомпоновать комплект аппаратного и создать пакет программного обеспечения.

8. Исследовать оптические свойства проекционной системы установки ионно-лучевои литографии (ИЛЛ) и провести экспериментальную проверку возможностей формирования субмикронных изображений методом ИЛЛ.

9. Исследовать процесс протонно-лучевой модификации оптических и электрических свойств полупроводников А3В5, стекол и электроактивных кристаллов.

10. Исследовать изменения свойств поверхностных слоев металлов и сплавов в процессах ионной имплантации и ионно-лучевого перемешивания.

11. Разработать модель абразивного износа металлических деталей, упрочненных методами ионной имплантации и ионно-лучевого перемешивания.

Выявленные при решении этих задач элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных научных положений для защиты:

1. Тепловой и десорбционный механизмы пробоя ускорительных трубок- по вакуумной поверхности и механизм пробоя вакуумного межэлектродного зазора, что позволило сконструировать ускорительные трубки для ионных имплантеров с предельным темпом ускорения.

2. Методики расчета и принципы конструирования критических элементов высокоэнергетичных имплантеров, включая:

- высоковольтные вакуумные изоляторы, оригинальную технологию их производства;

- вводы и ускорительные трубки, используемые во многих типах приборов, установок и оборудования;

- компактные мощные генераторы высокого напряжения и разделительные трансформаторы для высоковольтных ускорителей;

- ионные источники и элементы ионного тракта;

- выбор оптической системы ускорительной структуры высоковольтного ускорителя ионов;

- приёмные камеры с системами управления и контроля процесса легирования.

3. Численное моделирование и оптимизация оптических свойств ионного тракта, установки протонно-лучевой проекционной литографии субмикронного диапазона.

4. Результаты экспериментов по отработке технологии формирования лазерных светодиодов на гетероструктурах Оа.Д^^Лз, и формирования изолирующих областей для СВЧ полевых транзисторов с применением установок ПРИЗ-350, ПРИЗ-500 и ПРИЗ-200, а также возможности формирования ретроградного кармана в кремнии на глубине- 1,5 мкм с использованием установки ВИТУС-0,7.

5. Энергетическая модель трения-износа в условиях абразивного сухого истирания инструмента и деталей из конструкционных металлов и сплавов, упрочнённых методом ионной имплантации и ионно-лучевого смешивания.

Практическая ценность работы.

На основании реализации установленных в работе научных положений, созданных ионно-лучевых технологических установок и проведенных экспериментов по изменению свойств широкого класса материалов достигнуты следующие практические результаты.

1. Выработана концепция построения и принципы конструирования унифицированных малогабаритных высоковольтных ускорителей ионов,

оптимальных для использования в составе ионных имплантеров, нейтронных генераторов, установок микрозондового анализа и другого электрофизического оборудования.

2. Создан ряд ионных имплантеров с энергией от 200 до 1500 кэВ предельно малых габаритов: ПРИЗ-350, ПРИЗ-200, ПРИЗ-500, ВИТУС-0,7, ВИТУС-0,25, ВИТУС-0,7М, ВИТУС-1,5, отвечающий современному уровню технологии производства приборов микроэлектроники.

3. Разработаны и внедрены в производство оригинальные системы рабочих элементов приёмных камер.

4. Разработан физический проект установки ионно-лучевой проекционной литографии субмикронного диапазона.

5. Разработана методика расчета и конструирования ускорительных трубок, опорных и проходных вакуумных изоляторов, высоковольтных вакуумных вводов широкого диапазона назначения и величин напряжения.

6. Разработана модель трения-износа, на основании которой отработана практическая технология упрочнения деталей машин и механизмов, а также методика расчета технологических режимов обработки с целью увеличения рабочего ресурса.

Результаты работы использованы при создании промышленных ускорителей серии ЭЛВ в Институте ядерной физики СО АН СССР (г. Новосибирск), ряда высоковольтных электрофизических приборов в НПО «Титан» (г. Москва). Отдельные разработки и методики, полученные в работе, использованы в АОЗТ «Корона-Семикондактор, ЛТД», АООТ «НИИ МЭ и завод «Микрон», в ГУП «Компания МЭТИС».

Созданные в порядке выполнения работы установки серии ПРИЗ и ВИТУС были поставлены на предприятия: НИИФП им. Ф.В. Лукина, «Элас» (г. Зеленоград), НПО «Исток» (г. Фрязино), ОКБМ при НЭВЗ, НПО «Адрон» (г. Новосибирск), Филиал НЗПП (г. Томск), НПО «Север» (г. Новосибирск).

На созданном оборудовании проведен целый ряд оригинальных постановочных технологических работ, НИР и ОКР, осуществляется промышленное производство приборов микроэлектроники.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на - IX Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна-84), XI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (ГДР, Берлин-84), 3-ей Международной конференции по импульсной и пучковой модификации материалов (ГДР, Дрезден-89), III Всесоюзном семинаре «Микролнтография-90» (Черноголовка-90), Международной конференции по ионной имплантации и ионно-пучковому оборудованию (Болгария, Элените-90), П-н Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Свердловск-91), 4-й Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск-94), Международной НТК по лазерным и физико-техническим методам обработки материалов (Киев-95), 3-ем Российско-китайском симпозиуме по материалам и процессам в микроэлектронике (Калуга-95), 4-ом Российско-китайском

симпозиуме по актуальным проблемам современного материаловедения (Китай-97), (Звенигород-95), IV Всероссийском семинаре по физическим и физико-химическим основам ионной имплантации (Н.-Новгород-98), Международной НПК по инженерно-техническому обеспечению АПК и машинно-технологических станций в условиях реформирования (Орел-2000), 7-9-ой НТК с участием зарубежных специалистов по вакуумной науке и технике (Судак-2000-2003), Межотраслевой НТ конференциях «НИИМЭ и Микрон» (Зеленоград-2001-2003), Научно-практическом семинаре по проблемам специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур (Н.-Новгород-2002, 2003), XVIII Всероссийском Совещании по ускорителям заряженных частиц (Обнинск-2002), Харьковской научной Ассамблее (Харьков-2003), 15 Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (Обнинск-2003).

Публикации. По результатам работы опубликовано 63 работы, в том числе 19 публикаций в периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования РФ для публикации основных результатов диссертации на соискание учёной степени доктора наук, получено 1 авторское свидетельство, 2 патента, а также некоторые результаты использованы в учебном процессе (изданы методические указания и учебное пособие).

Работа в целом обсуждена на расширенном заседании НТС ФГУП «Красная Звезда».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, приложения, списка литературы из 221 наименования и изложена на 297 страницах машинописного текста, включает в себя 179 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определена цель и поставлены задачи работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы. Отмечается практическая ценность исследований, представленных в диссертации.

В первой главе проведено детальное рассмотрение конструктивных особенностей имплантеров, определяющих их производственные и технологические возможности. Раскрыта физическая сущность ограничений производительности и намечены пути достижения предельных характеристик.

Метод ионной имплантации позволяет точно выбирать и контролировать распределение концентрации примеси по глубине и её абсолютную величину независимо друг от друга. Исходя из этой основной задачи, определяются технологические характеристики имплантеров.

- набор легирующих примесей и чистота пучка на мишени;

- регулируемость, стабильность и диапазон задания энергии ионов;

- однородность и точность внесения лигатуры;

- величина и стабильность температуры пластин в процессе имплантации.

Главной производственной задачей процесса, несомненно, следует считать обеспечение как можно большего количества обработанных изделий, что определяется скоростью набора требуемой концентрации лигатуры, отношением времени легирования к общему времени работы имплантера к выходом годных изделий. В этой связи можно сформулировать. производственно-экономические характеристики имплантеров,

важнейшими из которых являются производительность, выход годных, габариты и потребляемая мощность.

Совершенствование установок ионной имплантации определяется в первую очередь повышением требований к технологическим характеристикам, но как только эти требования удовлетворяются и процесс осваивается промышленностью, определяющими становятся требования к производственно-экономическим характеристикам.

Основные составные части имплантера ускоритель ионов, приемная (рабочая) камера, вакуумная система, система управления и контроля однозначно определяются технологической задачей.

Для выполнения технологических задач производства современных микроэлектронных приборов к имплантерам предъявляются следующие основные требования: энергия однозарядных ионов от 0,5 до 700 - 3000 кэВ; диапазон разделяемых масс 1 - 130 а.с.м.; разрешение по сепарации 1/100 Дт/т; точность набора дозы не хуже 0,75%; однородность легирования не хуже 0,75%; размер обрабатываемых пластин 100, 150, 200, 300 мм; рабочий вакуум в приемной камере не хуже 1.10-4 Па.

Для обеспечения высокой производительности ток пучка ионов на мишени должен быть настолько большим, насколько возможно удержание температуры подложки в требуемом технологическом диапазоне. Имплантеры, предназначенные для производства приборов на структурах кремний-на-изоляторе (КНИ), а также для отдельных высокодозных операций должны быть оснащены системой компенсации поверхностного заряда на пластине.

Загрузка пластин в рабочую камеру из стандартных кассет должна производится через шлюзовое устройство, чтобы обеспечить минимальную привнесенную дефектность. С целью повышения выхода годных с единицы. площади чистых помещений предприятия габаритные размеры имплантера должны быть как можно меньше.

Все остальные параметры по обеспечению системы управления, защиты персонала, готовности, наработки на отказ и т.д. - не хуже общепринятых и достигнутых к настоящему времени на имплантерах, применяемых при производстве СБИС.

Основная производственнаяхарактеристика — производительность — зависит от скорости внесения требуемого количества примеси, определяемой током пучка ионов па позиции обработки, величина которого ограничивается условием формирования и ускорения ионного пучка, а также необходимостью и возможностью теплоотвода для удержания температуры изделия на допустимом уровне. При производстве приборов МЭ на большинстве

технологических операции температура полупроводниковых пластин не должна превышать 120° С.

Важнейшая технологическая характеристика приемной камеры и имплантера в целом - однородность легирования по пластине, от пластины к пластине и во времени. Стабильность легирования во времени определяется однозначностью задания и точностью контроля рабочих параметров ускорителя, а однородность по пластине зависит от выбора способа и режима сканирования пластин пучком ионов.

Развитие микроэлектроники определяется, в основном, степенью интеграции монолитных сверхбольших (СБИС) и сверхскоростных (ССИС) приборов. Количество элементов на чипе удваивается каждые 2 года и в настоящее время достигает 1-10 млн. отдельных элементов.

Проектные нормы современных ССИС и СБИС - 0,35 - 0,15 мкм. Применение литографии видимого диапазона для формирования столь малых объектов ограничивается дифракционными явлениями, поэтому к применению годятся только глубокое ультрафиолетовое, рентгеновское или корпускулярное (электроны, ионы) излучения. Поскольку формирование изображения в полимерных резистах определяется плотностью энергии, выделяющейся в слое резиста при воздействии носителя этого изображения (луча), постольку наиболее перспективным носителем следует считать модулированные по плотности потоки ионов. Наиболее удобным сортом ионов по соотношению удельных потерь энергии и длине пробега являются ионы водорода или

Модулирование ионного пучка в случае проекционной литографии осуществляется путем маскирования с помощью контрастных шаблонов, нанесенных на сетки или сплошные сверхтонкие мембраны или в виде перфорированных мембран.

Вторая глава посвящена исследованию процессов нарушения электрической прочности ускоряющей структуры и высоковольтной изоляции ускорителя.

Па основе широкого экспериментального исследования электрического пробоя вакуумных межэлектродных зазоров разработана модель, позволяющая прогнозировать электрическую прочность вакуумного высоковольтного устройства в зависимости от материала электродов и способов их обработки. Процесс пробоя инициируется электронами, эмитируемыми из локальных неоднородностей катода и ускоряющимися в межэлектродном зазоре. Экспериментально и расчётным путём показано, что диаметр пятна на аноде, эффективно бомбардируемого электронами увеличивается медленнее, чем растёт величина межэлектродного зазора. При достижении критической плотности энергии на аноде происходит взрывная сублимация вещества анода, которое, распространяясь по направлению к катоду, формирует проводящий капал. Для получения наибольшей электрической прочности вакуумного промежутка материал анода следует выбирать из условия максимальной стойкости к мощности теплового потока - теплота возгонки,

плотность, Б - коэффициент температуропроводности, С - константа проникновения электронов). Получен ряд по электрической прочности при

использовании основных металлов в качестве анода при одинаковых условиях па катоде.

На основании разработанной модели получена зависимость пробивного напряжения oт длины межэлектродного зазора для различных материалов анода (рис. 2 а), что позволило выбрать материал электродов ускорительной трубки и определить критическую напряженность электрического поля. На основе полученных данных были рассчитаны варианты электродов ускорительной трубки.

Другим определяющим аспектом электрической прочности ускорительной трубки является перекрытие вакуумной стенки ускорительной трубки. Исследования электрического пробоя по поверхности колбы показали, что процесс развивается по двум различным механизмам в зависимости от проводимости материала колбы. Было установлено, что при удельном сопротивлении материала ниже 1.1011 Ом.см происходит тепловой пробой в поверхностном слое, обращенном в вакуум.

При удельном сопротивлении, большем 1.1012 Ом.см пробой инициируется при достижении критической величины заряда на поверхности изолятора и развивается и облаке газа, десорбированного поверхностным электронным током. Заряд формируется и накапливается в результате фото- и вторично-электронной эмиссии в поверхностном слое изолятора, усиленных электрическим полем, создаваемым полезадающими электродами.

Разлет газа носит автомодельный характер, при котором формируется облако с квазиоднородной по направлению разлета и падающей со временем плотностью. Пробой в разлетающемся облаке происходит по стримерному механизму при достижении условий, обеспечивающих развитие стримера.

Формирование электрических нолей на поверхности изолятора, препятствующих развитию электронных лавин, переходящих в стример и устранение подсвечивания изолятора глубоким вакуумным ультрафиолетом, являются решающими факторами в обеспечении высокого напряжения перекрытия твердотельных изоляторов, работающих в вакууме.

Приведенная во второй главе подборка материалов по пробою газовых промежутков и перекрытию изоляторов в сочетании с численным расчётом электрических нолей в высоковольтных элементах использованы при конструировании и обеспечили предельно малые габариты ускорителей.

В третьей главе рассмотрены основные вопросы генерации, формирования и транспортировки ионных пучков в технологических ионно-лучевых установках.

Для малогабаритных высокоэнергетичных имплантеров необходимо было разработать компактные ионные источники с высокими газовой и токовой эффективностями. На основании проведенного анализа работы плазменных газоразрядных источников и расчета распределений магнитных и электрических полей разработаны два варианта источников: типа «Пигатрон» (рис. 3 а) с полным вытягиваемым током до 3 мА и потребляемой мощностью

Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения длины зазора для анодов из различных материалов (а) 1 - вольфрам, 2 - медь, 3 - алюминии. Расчётная зависимость напряжения перекрытия вакуумной поверхности изоляторов (б) из непроводящих материалов (I) и проводящих материалов (2) - 6,5*1010 Ом*см,

(3) -1,2510 Ом*см.

расчет, х—х—х - эксперимент

Рис. 3. Ионные источники: типа газоразрядной ячеПки Пеннинга ИП-1 (я); протонный источник ИК-5 с магнитным полем монокасп (б) не более 80 Вт. Высокая эффективность этого источника была достигнута за счёт применения тсрмоизолированной катодной вставки из материала с низкой

работой выхода - LaB^, разогревающейся током разряда. Распыление катодной вставки при работе на BFj (для получения ионов бора) позволило увеличить ток ионов бора более чем в 2 раза. Широкие возможности применения гексаборида лантана в качестве катодного материала в ионных газоразрядных источниках обоснована термодинамической моделью и экспериментальными исследованиями работы катода в различных газовых средах. Показано, что снижение эмиссии происходит в результате образования карбидов бора и лантана при наличии органических соединений в составе рабочей газовой среды. На основании разработанной термодинамической модели найдено, что добавка в рабочую газовую смесь двуокиси углерода не только предотвращает образование карбидов, но и полностью восстанавливает эмиссию ранее карбидизированного катода.

В обеспечение работ по "Smart-cut" технологии, разработан сильноточный протонный источник с магнитной системой типа «антипробкотрон» (рис. 3 б). Источники разработаны с учетом поведения ионного пучка в зазоре эмиттер-экстрактор, определяющим условия согласования входа ионов в магнит-сепаратор. Исследован и объяснен эффект возникновения несамостоятельного разряда в зазоре и влияние его как на потери ионов при экстракции, так и на ток нагрузки блока питания экстрактора.

Принципиальное решение конфигурации ионно-оптической системы выбрано на основании математического моделирования траекторий ионов во всех элементах системы. В результате моделирования определены структура и форма электродов экстрагирующей системы..

Ионно-оптическая система ионной пушки представляет собой экстрагирующий электрод с последующей однопотенциальной линзой. Линейные размеры и диаметры элементов ионно-оптической системы подбирались путем траекторного анализа на ЭВМ.

Сепарация ионов по массе обеспечена 90° магнитами с градиентной вертикальной фокусировкой.

Моделирование траекторий ионов на входе в ускоряющую структуру позволило существенно сократить длину ионно-оптического тракта за счет установки на входе в структуру специальной полиномиальной линзы.

На основании материалов главы 2 были разработаны широкоапертурные ускорительные трубки для имплантеров с предельным рабочим градиентом ~ 2 МВ/м. Колба ускорительной трубки - керамическая из материалов УФ-46 или 22ХС. Электроды изготовлены из сплава алюминия Д16Т или В95. Была разработана оригинальная технология запрессовки электродов, что позволило отказаться от традиционной пайки или склейки отдельных колец керамики. Трубка, составляется из цельных трубчатых модулей длиной 175-300 мм, соединяемых между собой при помощи разъемных уплотнений. Шаг секционирования модулей составляет 20-30 мм. Диаметр проходного отверстия электродов - 80-150 мм.

Для обеспечения поперечной изоляции ускорителя был применен чистый элегаз (SFe) под давлением 4-6 ати. Форма экранов, закрывающих

элементы ускорителя, выбиралась на основании расчета электрических полей. Максимальная напряженность электрического поля не превышала 100 кВ/см.

Для обеспечения электрической прочности зазора разделительных трансформаторов, передающих мощность в высоковольтный терминал, были разработаны специальные полосковые электростатические экраны, проницаемые для магнитного потока.

В четвёртой главе рассмотрены вопросы реализации и поддержки процесса имплантации.

Важнейшая технологическая характеристика приёмной камеры и имплантера в целом - однородность и стабильность легирования. Стабильность легирования определяется однозначностью задания и точностью контроля рабочих параметров ускорителя, а однородность зависит от выбора способа и режима сканирования пластин пучком ионов.

Для расчёта температуры пластин и распределения дозы легирования разработан алгоритм вычисления пригодный для любого аналитически выражаемого профиля ионного пучка. Путем математического моделирования с использованием этого алгоритма исследована зависимость однородности легирования от диаметра ионного пучка, соотношения частот сканирования по двум координатам, угла падения ионов на подложку (рис. 4). В результате установлено, что обеспечение разброса плотности дозы легирования при любом способе сканирования достигается при выходе ионного пучка за контур объекта не менее, чем на 3 величины полуширины на полувысоте пучка и разбросе углов падения ионов на подложку не более ± 4°.

Энергия ионного пучка, выделяющаяся в процессе имплантации, приводит к нагреву объекта обработки до температуры, при которой наступает баланс между подводимой и отводимой мощностью. При производстве приборов МЭ предельная температура, как правило, устанавливается ниже температуры размягчения фоторезистивной маски, т.е. 100-130°С. На основе численного решения разогрева пластины ионным пучком получены условия достижения предельной производительности имплантера при фиксированной температуре пластины для различных способов сканирования и достижимом для этих способов теплоотводе (рис. 5).

На основании проведенных расчётов вычислены диапазоны производительности имплантеров с различными системами сканирования, обеспечивающие комплектацию производственной линии и планирование производства.

В пятой главе приведены описания и принципиальные особенности высокоэнергетичных малогабаритных имплантеров, а также макета установки проекционной ионолитографии субмикронного диапазона.

Под непосредственным научным руководством автора создан ряд малогабаритных высоковольтных установок ионно-лучевого легирования: технологическая установка ПРИЗ-350, ПРИЗ-200, ускорительный технологический комплекс имплантации ионов водорода ПРИЗ-500, технологическая установка ВИТУС-07. Рассмотрены устройство и

конструкция их составных частей, особенности структуры и компоновки, система управления и контроля, программное обеспечение.

Ускорительная трубка оригинальной конструкции, и результаты ее испытаний приведены на рис. 6.

Суммарный ионный ток на выходе источника ионов составил > 400 мкА, при напряжениях на вытягивающем и фокусирующем электродах - 4,2 и 2,2 кВ соответственно. Ионно-оптическая система пропускает ионный ток практически полностью, на ее электродах выпадает менее 10 мкА ионного тока. Ток после масс-сепаратора составил: N2* - 90 и N* -70 мкА.

Таким образом, ионный источник и ионно-оптическая система позволяют получать и транспортировать требуемые ионные токи.

Установки ПРИЗ-500 (рис. 7) и ВИТУС-07 (рис. 8) были выпущены малой серией по 5 экземпляров и поставлены на предприятия МЭП. Для освоения выпуска ряда новых изделий микроэлектроники с глубоко залегающими р-п переходами и изолирующими областями, освоения КМОП технологии, мегабитных схем памяти и СВЧ схем на основе арсенида галлия с улучшенными частотными характеристиками и пр. необходимо применение имплантеров на энергию 1 МэВ и более. Поэтому предложена перспективная модульная установка ионного легирования ВИТУС-1,5, описаны конструктив, основные технические данные и характеристики этого комплекса.

На основе модульных высоковольтных умножителей, разработанных для ВИТУС-1,5 разработана установка ионной имплантации с энергией до 250 кэВ и током до 50 мЛ.

Основные параметры назначения имплантеров. представлены в таблице.

Имплантеры серии ВИТУС выполнены с высокой степенью унификации узлов, деталей и агрегатов, что значительно облегчает организацию серийного выпуска и снижает себестоимость. Эксплуатация таких установок не требует переучивания персонала и осложнена только наличием сосудов с повышенным давлением электроизолирующего газа.

Универсальное конструктивное исполнение и малые габаритные размеры установок серии ВИТУС позволяют легко интегрировать их в миникомплексы (кластеры).

Анализ проекционных ионно-литографических установок JPS-200, JPS-300 и JPSM-01, созданных фирмами Sa^r ТесИшк и .Топей Mikrofabrikation Systems показал, что основной проблемой достижения необходимого качества генерации микроизображения на подобных установках является уменьшение аберраций ионно-оптической системы (ИОС) с одновременным уменьшением общего габарита (особенно продольного) и вертикальная компоновка проекционной системы. В обеспечение расчета ИОС проекционной установки были исследованы параксиальные свойства полиномиальных

электростатических линз путем расчета траекторий ионов.

Рис. 4. Распределение дозы легирования при растровом сканировании (а): угол отклонения ± 0,01 и ± 0,2 радиана, с частотами 1,0 и 138 Гц, диаметр пучка - 10 мм, база отклонения —1м; при сканировании на диске (б): угол наклона пластин - 7°, количество пластин - 12

Рис. 5. Зависимость температуры пластины от времени сканирования: а - энергия - 200 кэВ, ток пучка - 2,5 мА, растровое сканирование, охлаждение водородом (1); энергия - 200 кэВ, ток пучка - 12 мА, сканирование на диске 12 пластин (2); б - растровое сканирование, диаметр пластины - 150 мм, ток - 2,5 мА; энергия 200 кэВ, центр пластины (1); энергия 150 кэВ, 10 мм от края (2)

Рис. 6. Модуль ускорительной трубки (а) и результаты ее испытаний (б) 1-сумма напряжений, 2- ипр(Ы)с 1 по 12 секцию, 3 - и„р(£>1) 13по26 секции , 4 - результат испытаний полной трубки. Средний градиент- 16,4 кВ/см. Максимальный градиент - 20 кВ/см. Средний градиент по керамике -24,5 кВ/см. Максимальный градиент в вакууме - 83 кВ/см

Рис. 7. Промышленная установка имплантации ионов водорода ПРИЗ-500

Рис. 8. Высокоэнергетичная малогабаритная технологическая установка ВИТУС-07

Таблица

Основные характеристики разработанных имплантеров.

ПРИЗ-350 ПРИЗ-200 ПРИЗ-500 ВИТУС-0,7 БИТУ С-1,5

(проект)

Энергия, кэВ 15...350 20...200 50...500 70...700 150...1500

Ток, мкА 10 10 10 103 (3.103) 103 (1,5.10Э)

Диапазон масс 1...4 1...4 1...4 1...130 1...130

Площадь, м ■ 1,5x2,5 1x1,7 1x1,7 1,0x2,2 1,8x3,4

Управление ручное руч.-авт. ПЭВМ ПЭВМ ПЭВМ

0 пластин 40 40 60 100...150 100...150

Для математического моделирования оптических свойств ИОС разработана методика коррекции полезадающих профилей полиномиальных линз для получения минимальной дисторсии и сферической аберрации. Расчетным путем показана возможность построения ИОС, удовлетворяющей выработанным в процессе выполнения работы, техническим требованиям на установку субмикронной ионной литографии. Разработан физический проект

такой установки на базе и с использованием технических решении имплантеров ПРИЗ-200 и ПРИЗ-500.

В шестой главе приводятся результаты использования установок серии ПРИЗ в отработке различных технологических приемов модификации активных слоев полупроводниковых материалов путем имплантации ионов водорода.

Формирование заглубленных оптических волноводов происходит в результате образования дефектов кристаллической решетки при внедрении в нее ионов водорода. Свободные носители захватываются этими дефектами, в результате чего снижается показатель преломления на длине волны прозрачности полупроводника. Таким образом, возможно получение волноводов на длине 0,63 мкм в GaP и на длинах волн 1,06; 1,15 и 1,06 мкм в GaAs и GaP. Поскольку потери энергии протонов в этих материалах составляют ~ 100 кэВ/мкм, постольку применение установки Приз-500 позволило формировать глубоко залегающие волноводы, что обуславливает низкие потери. Были получены полосковые волноводы с шириной 10 мкм и затуханием менее 10 дБ/см. С увеличением дозы протонов показана возможность снижения потерь до 3 дБ/см.

Дефекты, возникающие при торможении ускоренных протонов в полупроводнике, имеют максимум плотности в области, близкой к проективному пробегу. При температуре 500-700°С (для кремния) эти дефекты активно взаимодействуют с имеющимися в полупроводнике дефектами и примесями, что позволяет изменять профиль распределения примесей по глубине. Обработка протонами с изменяющейся энергией полупроводников с ранее внесенными примесями более тяжелых элементов (В, Р, As) позволяет существенно изменять профиль распределения этих примесей. При использовании установок Приз-200 и Приз-500 было получено существенное (почти двукратное) увеличение глубины залегания примеси за счет процесса протонно-стимулированной диффузии.

Процесс дефектообразования при имплантации протонов представляет существенный интерес для формирования скрытых изолирующих слоев не только в материалах А3В5, но и в кремнии. На установке ПРИЗ-500 (НИИФП им. Ф.П. Лукина) были получены изолирующие слои с

сопротивлением 103 Ом.см при энергии 50-500 кэВ и дозе 5.102-104 мкКл/см2. Увеличение дозы и температуры отжига приводит к скалыванию тонких слоев практически бездефектного, кремния, что и является основой активно разрабатываемой в настоящее время технологии «кремний на изоляторе» по процессу Smart cut.

Очевидно, что травление полупроводников по слоям с повышенной дефектностью идет быстрее. Эксперименты, проведенные на установке ПРИЗ-500 показали, что при дозе 1.1016 см-2 скорость травления GaAs почти в два раза выше в легированной области, и по достижении глубины, равной проективному пробегу, резко падает до скорости травления необлученного материала.

При создании приборов на основе GaAs применение имплантации протонов позволило формировать межслойную и межэлементную изоляцию по

планарной технологии. В результате проведенных технологических работ была получена надежная изоляция глубоких слоев, на основании которой формировалась «меза» микромощного полевого СВЧ транзистора по планарной технологии. Выход годных изделий возросло 95%.

Особенно эффективно оказалось использование установки ПРИЗ-500 для формировании лазеров на гетероструктуре В результате

применения протонов для создания изолирующих областей ток накачки снизился в два раза и значительно уменьшился разброс токов накачки и генерируемой мощности. Протонная изоляция была внедрена в техпроцесс изготовления серийно выпускаемых приборов ИЛПН-102, ИЛПН-205, ИЛПН-207 и позволила разработать совершенно новые приборы ИЛПН-210 и ИЛПН-213, по параметрам не уступающие лучшим зарубежным образцам.

Проведенное легирование кремниевых пластин на установке ВИТУС-07 показывает, что установки с энергией до 700 кэВ позволяют перейти на новый уровень технологических возможностей в части:

- создания скрытых слоев р- и п-типов, скрытых изолирующих слоев;

- реализации безразгоночных приемов формирования глубоких легированных областей без ухудшения параметров сверхмелких р-п переходов в сочетании ионного легирования и импульсных методов обработки;

- радиационного геттерирования дефектов с целью увеличения пробивных напряжений и уменьшения утечек и шумов р-п переходов.

Освоение этих технологий позволяет создать радиационно-стойкие приборы и позволит повысить их частотные диапазоны в 1,5-2 раза.

С целью исследования возможности получения изображения с субмикронным размером в электронно-чувствительных резистах путем ионно-лучевого экспонирования была проведена серия экспериментов на установках ПРИЗ-350, ПРИЗ-200 и ПРИЗ-500. В качестве проекталей использовались ионы Н+ и Н2+ с плотностью тока до 1 мкА/см2 и с энергией до 300 кэВ. Исследовались резисты на основе полиметилметакрилата ЭП-1, ЭРП-1, ЭЛП-20, ЭЛН-200. Дозовая чувствительность резистов определена от 1,8 мкКл/см2. Контрастность резиста ЭЛН-200 -6.

Основная сложность изготовления ионошаблона определяется малой проникающей способностью ионов и большим сечением рассеяния. Для ионов водорода при средних энергиях (до 200 кэВ) пробеги в фоторезисте 2 мкм, поэтому вскрытые места ионошаблона должны быть пустыми, наиболее предпочтителен открытый трафарет на напряженной мембране.

Применение открытого трафарета позволяет модулировать ионный поток на низкой энергии (~ 4- 10 кэВ) с последующим его ускорением до энергии, определяемой толщиной резистивного слоя на подложке. Ускоряющая система может быть совмещена с оптической системой уменьшения изображения. Такая схема позволяет значительно снизить тепловую нагрузку на ионошаблон до 1.10-3 Вт/см2 и, тем самым, снизить величину его деформации до 0,1 мкм на 100 мм. Иношаблоны изготавливались путем протравливания отверстий на напряженной кремниевой мембране толщиной 2 мкм. Высокая контрастность и разрешающая способность экспонирования

ионами 11* и 1позволили получить в резисте изображения элементов 0,2 мкм с крутизной стенок менее 0,1 мкм при толщине резиста 1 мкм. Искажения рисунка за счет тепловых напряжений в ионошаблоне размером 10x10 мм не наблюдалось вплоть до потока мощности 0,2 Вт/см2.

Повышение служебных характсристик металлов с применением ионных пучков - одна из наиболее перспективных областей материаловедения. В настоящей работе рассматривались два способа ионно-лучевой обработки: прямое ионное легирование (ИЛ) и ионно-лучевое смешивание (ИЛС). В отличие от процесса ИЛ, ИЛ С основано на сочетании двух процессов -вакуумного напыления покрытия и прямой ионной имплантации. Энергия имплантированных ионов подбирается так, чтобы средняя длина проективного пробега была бы равна толщине напыленного слоя или несколько превышала ее. В этом случае максимум выделяемой энергии ионов приходится на границу раздела напыленный слой - основа, что и обеспечивает максимальную эффективность перемешивания. Метод ИЛС позволяет компенсировать многие недостатки ИЛ. При ионном борировании и азотировании получено увеличение микротвердости материалов в 2-3 раза. Упрочнение материала наблюдается вплоть до глубины 40-55 мкм, что более, чем на два порядка превышает просктивный пробег ионов с энергией 30 кэВ.

Упрочнение матсриала при ИЛ выражается также в снижении износа при абразивном истирании в 4,6 раза (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т). При этом удельный износ линейно уменьшается с ростом коэффициента увеличения микротвердости. Полученные экспериментальные зависимости дают основание полагать, что повышение микротвердости и износостойкости связано с образованием в поверхностном слое материала включений с повышенной твердостью - боридов, нитридов, карбонитридов и т.д. Это предположение полностью подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа. В случае легирования бором зависимость микротвердости и износостойкости от флюенса имеет пороговый характер, что объясняется особенностью вхождения бора в решетку желсза. При критической концентрации (расстояние между атомами бора) возникает связь В-В, формирующая упрочняющую высокоэнергетичную субрешетку из бора.

Образующаяся таким образом мелкодисперсная прочная фаза вызывает тангенциальныс напряжения в поверхностном слое, компенсирующиеся перераспределением по глубине дислокаций. Плотность дислокаций, как показали измерения, точно коррелирует с профилем изменения микротвердости.

Экспериментально было установлено, что на результаты процесса упрочнения существенно влияет состав пучка ионов. Исследовалось изменение микротвердости и износоустойчивости для стали 12X18Н ЮТ и титанового сплина ВТ-16 при обработке пимами и их комбинаций. Показано, что

присутствие в ионном пучке кислорода препятствует образованию нитридных и боридных фаз, а ионы бора и азота оказывают взаимоисключающее действие при последовательной их имплантации Анализ теплот образования различных оксидов, нитридов, боридов, карбидов показал, что формирование

упрочняющих фаз внедрения при имплантации ионов неметаллов определяется в соответствии с их теплотами образования.

Методом ИЛС обрабатывались сочетания 8п-СТ.45 и ^-Х12М ионами азота в интервале флюенсов З.!0'6-1.10" см-2 с энергией 8,5 кэВ. Рентгеновский фазовый анализ системы СТ^б-Бл^г*) показал присутствие нитрида железа наряду с Р-Бп. Появление на дифрактограмме нитрида железа замечено, начиная с флюенса 7.1016 см-2. Изменение фазового состава обработанного слоя хорошо коррелирует с изменением микротвердости, скоростью износа и коэффициентом трения. Установлена точная корреляция между снижением коэффициента трения и снижением износа в зависимости от флюенса. Такая же корреляция наблюдается и для системы Х^М-Аё^/), при этом минимальные значения достигаются при флюенсе 1,6.1017 см-2. Инструмент, работающий в условиях сухого трения при температуре 700°С, обработанный по такой технологии, показал увеличение срока службы в 4 раза.

Силовое взаимодействие двух трущихся твёрдых тел (трение) сопровождается передачей энергии, расходуемой на разрушение поверхностных слоев материала, возбуждение упругих волн, нагрев. Мерой передачи энергии является коэффициент трения, зависящий от состояния поверхности, то есть от качества обработки её, а износ при истирании при фиксированном коэффициенте трения будет определяеться удельной энергией разрушения материала. Стадия притирания, связанная с шероховатостью поверхности после механической' обработки определяется пониженной удельной энергией разрушения этого слоя, а процесс упрочнения - с повышением уплотнённости материала и удельной энергии разрушения.

Анализ экспериментальных результатов позволяет утверждать, что в процессе ионного легирования и смешивания происходит увеличение удельной энергии, необходимой для разрушения материала в процессе истирания.

Н, отн. ед. Износ, МГ

Рис. 9. Зависимость удельной энергии разрушения в огн.ед. от флюенса (сТ.45 + вп) N * (х1015) (а) и зависимость весового износа от длины пути истирания (б): / - ст. 45 без обработки; 2 -(ст.45 + Бп) И2*, О = 4.1016 ион/см2 -----расчет; -х-х-х- эксперимент

Величина относительного упрочнения (увеличения удельной энергии) вычисляется из результатов измерения весового износа и коэффициента трения

or флюенса и представляет собой зависимость с резко выраженным максимумом (рис. 9 а).

Удельная энергия разрушения может быть выражена следующим

где Wm, Wr - удельные энергии разрушения матрицы и упрочненной фазы, Cf- доля упрочненной фазы,.

В свою очередь, коэффициент трения fi(D), как показали эксперименты, зависит от флюенса. D процессе износа при сухом трении прочная износостойкая фаза разрушается и удаляется из поверхностного слоя в значительно меньшей степени, чем матрица.

Используя выражения для зависимости коэффициента трения от величины истёртого слоя, сопоставив микротвёрдость с удельной энергией разрушения и учтя динамику изменения концентрации прочной фазы можно вычислить зависимость весового износа от пути истирания:

S (L) = Е (н Р AL)f [Wm + (Wf- Wnl) ЕСди,) (Ktr)n] (2)

где K,r - коэффициент «втирания»; п - число удаленных слоев, L = ДЬ'm - путь истирания, ц - коэффициент трения, Р - нагрузка.

Результаты расчета весового износа от длины пути истирания в сравнении с экспериментальными результатами приведены на рис. 9 б.

Модель упрочнения при ионно-лучевой обработке позволяет описать и смоделировать основные зависимости трибологических и прочностных характеристик от режима обработки.

На основании теоретических и экспериментальных исследований, конструкторских разработок, обобщенных в настоящей диссертации можно сделать следующие выводы:

1. 11а основании, накопленных автором экспериментальных данных по вакуумному пробою в широком диапазоне материалов, величин постоянною и импульсных напряжении, различных внешних воздействий и условий разработаны:

- модель пробоя межэлектродного промежутка, основанная на взрывном разрушении анода токами взрывной и автоэлектронной эмиссии;

- термоэлектрическая модель высоковольтного перекрытия вакуумной поверхности изоляторов с повышенной проводимостью;

- модель впервые показанного факта накопления зарядов на поверхности изоляторов под действием глубокого (10 - 100 им) ультрафиолетового излучения, инициирующего пробой;

- модель перекрытия вакуумной поверхности изолятора п результате формирования критического перенапряжения на поверхности и развития разряда в разлетающемся десорбированном газовом слое.

2. Согласно разработанным моделям пробоя сформулированы основные правила конструирования высоковольтных изоляторов для вакуумных устройств:

- выбор материала колбы ускорительной трубки следует проводить с учетом характера и величины проводимости изолирующего материала;

- при разработке конструкции ускорительной трубки необходимо разносить функцию уплотняющего элемента и полезадающего электрода;

- конфигурация полезадающих электродов должна обеспечивать равновеликие тангенциальные и нормальные к поверхности изолятора компоненты электрического поля на вакуумной стороне и отсутствие нормальной компоненты на газовой или жидкостной стороне;

- напряженность электрического поля на поверхности электродов не должна превышать 70 кВ/см, а материал анода должен выбираться из условия максимальности Прй/С, г - теплота испарения металл/а, -плотность, Б - коэффициент теплопроводности, С - константа в распределении электронов по глубине;

- конструкция полезадающих электродов должна полностью исключить возможность прямого попадания вакуумного ультрафиолета со стороны ускоряемого потока заряженных частиц или других источников излучений.

На основе вышеприведенных правил разработаны ускорительные трубки с рабочим градиентом ~ 2 МэВ/м и отношением апертуры к диаметру колбы более 0,6 и высоковольтные вводы с градиентом до 40 кВ/см.

3. На основании расчета электрических полей в конструкциях высоковольтных ускорителей и применения для питания переменного напряжения 20 кГц:

- созданы малогабаритные высоковольтные умножители напряжения до 700 кВ при токе нагрузки до 4 мА, а также модули с напряжением до 250 кВ при токе нагрузки до 10 мА.

разработаны малогабаритные плоские разделительные трансформаторы с разомкнутым сердечником, работающие в составе ускорителя с градиентом до 140 кВ/см и передаваемой мощностью до 3 кВт.

4. На основании численного моделирования траекторий ионов сконструированы и впервые применены в ускорительных трубках полиномиальные электроды ускоряющей структуры с повышенным акцептансом.

5. На основании детального изучения условий зажигания разряда в газоразрядных плазменных источниках ионов и особенностей работы катодов:

- разработана модель карбидизации катодов из ЬаВ( и обоснован эффективный способ восстановления эмиссии путём добавления двуокиси углерода в состав рабочей газовой среды;

разработана, и применена в ионных имплантерах серия малогабаритных ионных источников пигатронного типа повышенной эффективности с ненакаливаемым катодом из гексаборида лантана;

- разработан и применен в технологии производства структур КНИ по

Smart-cut технологии сильноточный источник ионов водорода с повышенным выходом протонов - более 50%;

- экспериментально обнаружен и исследован несамостоятельный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях в зоне экстракции газоразрядных источников ионов и в линзах магнитных фокусирующих систем ускорительных трубок.

6. Проведенные разработки и исследования позволили создать ускорители ионов с малыми габаритами 800x1800x1000 мм при энергии 700 кэВ и 1300x2350x1900 мм при энергии 1500 кэВ, не имеющие по массо-габаритным параметрам аналогов в мире.

На базе этих ускорителей разработаны, изготовлены и внедрены на предприятиях микроэлектронной отрасли имплантеры ПРИЗ-350, ПРИЗ-200, ПРИЗ-500, ВИТУС-0,7. Разработаны и отмакетированы ускорители модульных имплатеров ВИТУС-0,25, ВИТУС-0,7М, ВИТУС-1,5.

7. На установках серии «ПРИЗ» проделаны технологические работы по формированию изолирующих областей в материалах группы

- в подложках из GaAs получены области с токами утечки, сниженными в 10-50 раз, используемые для формирования микромощпых СВЧ-транзисгоров по планарной технологиии, что практически в 10 раз повысило выход годных но операции.

- показана высокая эффективность применения высокоэнергетических протонов в процессе коррекции профиля концентрации примеси методом ионно-стимулированной диффузии;

- на установке ПРИЗ-500 отработана и внедрена в производство технология формирования лазерных светодиодов па гетероструктурах

Ga„Al,.|As;

- показана возможность создания заглубленных световодов с потерями менее 3 дБ/см;

- на установке ВИТУС-0,7 показана возможность формирования ретроградного кармана на глубине 1,5 мкм в Si.

8. На установке ПРИЗ-500:

- показана возможность формирования микроизображений элементов размером менее 0,2 мкм высокоэнергетичным протонным пучком;

- показана высокая чувствительность электронных и рентгеновских фоторезистов к протонам. Экспозиция резистов ЭП-9 составила 2-3 мкКл/см2.

9. На основании проделанных экспериментов и численной оптимизации оптики ионного тракта показана возможность создания установки ионно-лучевой проекционной литографии субмикронного диапазона. Разработан детальный физический проект и создан на базе имплантера ПРИЗ-200 макет установки ионно-проекционной литографии.

10. Упрочнение металлов и сплавов в процессе имплантации происходит в результате образования твердых фаз карбидов, нитридов, боридов и возникновению тангенциальных напряжений сжатия. В результате экспериментов по упрочнению конструкционных и инструментальных сталей и сплавов методами ионной имплантации и ионно-лучевого смешивания:

- установлено, что степень упрочнения зависит от элементного состава потока имплантируемых ионов: присутствие ионов кислорода препятствует образованию нитридов;

- впервые показано, что формирование боридов имеет пороговую зависимость от флюенса, определяющуюся образованием собственной В-В подрешетки, обеспечивающей высокую износостойкость при повышенных температурах и сопротивляемость коррозии;

- показана точная корреляция между максимумом упрочнения и минимумом коэффициента трения при ионной имплантации и ионно-лучевом смешивании.

11.В результате анализа экспериментальных исследований разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала и позволяющая количественно подтвердить, что:

- интенсивность износа зависит от шероховатости (в стадии притирания) и от концентрации прочной фазы в материале матрицы при ионно-лучевом упрочнении;

- зависимость микротвёрдости от глубины определяется распределением леса дислокаций в поле напряжений сжатия, возникающем при ионном легировании;

- повышенная износостойкость при ионно-лучевом упрочнении сохраняется до истирания толщины матрицы на много превышающей проективный пробег ионов благодаря низкому коэффициенту выноса прочной фазы ~ 0,05 вес. %.

Полученная математическая модель износа позволяет рассчитать технологический режим ионно-лучевого упрочнения и увеличение ресурса трущейся детали.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Авдиенко А.А., Будкер Г.И., Гапонов Н.Ф. и др. Ускоритель электронов ЭЛВ-1 для промышленного применения //Атомная энергия 1976. Т.40, №3, с. 216-220.

2. Авдиенко А.А., Малев М.Д. Отравление борид-лантанового катода //ЖТФ. 1976. Т. 46. № 10. С. 2101-2107.

3. Авдиенко А.А., Крючков А.Н., Куксанов Н.К., Малев М.Д. Электронная трубка высоковольтного ускорителя для работы в непрерывном режиме//ПТЭ. 1976. №3. С. 181-184.

4. Авдиенко А.А., Булушев А.Ф., Гришанов Б.И., Матвеев Ю.Г. Мощный высоковольтный наносекундный генератор // ПТЭ. 1977. № 2. С. 129131.

5. Авдиенко А.А. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. 4.1. Характеристики пробоя изоляторов по вакуумной поверхности //ЖТФ. 1977. Т. 47. № 8. С. 1697-1702.

6. Авднснко А.А., Малев М.Д. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. Ч. 2. Механизм поверхностного пробоя //ЖТФ. 1977. Т. 47. №8. С. 1703-1711.

7. Avdienko A.A., Malev M.D. Poisoning of LaB6 cathodes //Vacuum.

1977. V. 27. №10/11.Р.599-604.

8. Avdienko A.A., Malev M.D. Flashover in a vacuum // Vacuum. 1977. V. 27. № 12. P. 643-651.

9. Авдиенко A.A., Малев М.Д. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. Ч. 3. Количественная модель пробоя //ЖТФ. 1979. Т. 49. № 5. С. 987-997.

10.Авдиеико A.A. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме, стимулированный ультрамягким рентгеновским излучением //ЖТФ. 1979. Т. 49. № 6. С. 1248-1253.

11Авдиенко A.A., Ллиновский Н.И. Управляемый разрядник //Лвторское свидетельство № 851578. Бюлл. № 28. 1981.

^Апдиснко A.A., Диканский Н.С., Назьмов A.n. и др. Ионная литография через шаблоны типа открытого трафарета //Микроэлектроника. 1982. Вып. 1(173). С. 58-63.

13Авдиенко A.A., Aлиновский A.^, Булушев A^. и др. Ускорительный технологический комплекс имплантации ионов водорода «Приз-500» // Сб. «Ускорители заряженных частиц». -Дубна: ОИЯИ. 1984. С. 123-124.

14. Aвдиенко A.A., Булушев A^., Боровиков В.М. и др. Система управления и высоковольтного питания ускорителя протонов «Приз-500» //Вопросы атомной пауки и техники. Сер. «Техника физ. эксперимента». 1985. Вып. 1 (22). С. 62-67.

15Авдиенко A.A., Горбунов В.В., Боровиков В.М. и др. Разработка установки имплантации ионов с энергией 700 кэВ // Сб. "Применение ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве". - Л.: ДНТ. 1988.

16. Aвдиенко A.A., Суслов AT. Разработка принципов построения технологических установок ионно-лучевой проекционной литографии //Сб. «Микролитография». - Черноголовка: ФТТ. 1990. С. 51-53.

17. Aвдиенко A.A., Диканский Н.С, Булушев A^. и др. Установка протонного легирования «Приз-200» // Сб. "Микроэлектроника». -Новосибирск: НЭВЗ. 1990. С. 82-86.

18. Aвдпснко A.A., Aртемьев Б.В., Мельникова TA. и др. Малогабаритный высоковольтный вакуумный ввод для отпаянных электровакуумных приборов // Электроника СВЧ. Сер. 1. 1990. Вып. 9 (433). С. 7-10.

19. Aвдиенко A.A., Шокин A.H. Высокоэнергетическая ионная имплантация: оборудование и технология // Электронная промышленность. 1994. № 7-8. С. 127-131.

20. Aвдиенко A.A., Aвдиенко К.И. Изменение служебных характеристик поверхности металлических материалов имплантацией ионов. Обзор. // Межвуз. НТ сборник "Технологические проблемы машиностроительного производства".-Липецк: ЛГТУ. 1994. С. 22-34.

21. Aвдиенко A.A., Aвдиенко К.И. Технологическое оборудование для

ионной имплантации // Межвуз. НТ сборник "Технологические проблемы машиностроительного производства". - Липецк: ЛГТУ. 1994. С. 114-118.

22. Патент РФ №2052517 Конвекторное кольцо для отжига металла в колпаковой печи // Франценюк И.В., Рябов В.В., Авдиенко А.А. и др. Опубл. 27.02.96. Бюл. № 6.

23. Авдиенко А.А., Ивакин А.В. Источник ионов //ПТЭ. 1996. №2. С. 65-67.

24. Авдиенко А.А., Авдиенко К.И., Кузенков СВ. Применение моноатомных пучков бора для модификации поверхностных свойств металлов и сплавов // Поверхность. 1996. № 2. С. 86-91.

25. Патент РФ №2075525 Способ получения цинка из цинкового дросса // Франценюк И.В., Белянский А.Д., Авдиенко А.А и др. Опубл. 30.04.97. Бюл. № 12.

26. Авдиенко А.А., Авдиенко К.И., Ивакин А.В. Исследование процесса ионно-лучевого смешивания в системе ст.45-олово // Поверхность. 1998. № 7. С. 108-111.

27. Авдиенко К.И., Ивакин А.В., Авдиенко А.А. Исследование дислокационной структуры приповерхностных слоев стали после ионной имплантации // Металлы. 1999. № 1. С. 98-99.

28. Авдиенко А.А. Высокоградиентная ускорительная трубка для ионных имплантеров // Материалы 7-н конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ. 2000. С. 261-263.

29. Авдиенко А.А. Поверхностный пробой изоляторов в вакууме // Материалы 7-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ. 2000. С 263-267.

30. Авдиенко К.И., Авдиенко А.А. Процессы и оборудование элионных технологий // Учебное пособие. — Липецк: ЛГТУ. 2001. 80 с.

31. Авдиенко К.И., Авдиенко А.А., Коваленко И. А. Влияние элементного состава пучка ионов на фазообразование и упрочнение поверхности конструкционных материалов //ФММ. 2001. 92, № 6. С. 103-107.

32. Авдиенко К.И., Авдиенко А.А., Коваленко И.А. Фазовые и структурные превращения в поверхностных слоях конструкционных материалов при ионной имплантации //Материалы 8-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2001. С. 152-157.

33.. Авдиенко А.А. Электрический пробой вакуумного изолирующего промежутка //Материалы 8-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2001. С.227-231.

34. Авдиенко А.А. К вопросу о влиянии рельефа и состояния поверхности отрицательного электрода на эмиссионные характеристики //Материалы 9-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2002. С.222-224.

35. Авдиенко А.А., Ветров В.А., Голышева Т.А., Морозов Ю.В. Оптимизация вакуумной системы промышленного имплантера //Материалы 9-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2002. С.98-103.

36. Авдиенко А.А., Венгеров Ю.Л., Морозов Ю.В. Оборудование ионном имплантации в России: состояние и перспективы //Электронная промышленность. 2002. № 4. С. 3-8.

37. Авдиенко К.И., Авдиенко А.А., Коваленко И.А. Финишная упрочняющая обработка металлических детален имплантацией лёгких ионов. //Материалы 9-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2002. С. 184-188.

38. Авдиенко А.А., Авдиенко К.И., Морозов Ю.В. Модификация поверхности материалов ионной имплантацией //Наукоёмкие технологии. 2002. Том 3.№ 5. С. 41-48.

39. Авдиенко А.А., Морозов Ю.В., Ульянов В.А. Вакуумные камеры для перспективных имплантеров //Сб. докладов 6-й Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование». -Харьков: ПНЦ ХФТИ, «Константа», 2003. С. 268-270.

40. Авдиенко А. А. Поверхностные заряды и ионизация в высоковольтных вакуумных устройствах //Материалы 10-й конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. 2003. С. 83-87.

Подписано в печать:

Заказ № Тираж 100экз. Уч.-изд.л. 1,9 Формат 60x84 1/16 Отпечатано в типографии ФГУП «Красная Звезда». 115230, Москва, ФГУП «Красная Звезда»_

Р-88ВО

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБОРУДОВАНИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Тенденции, перспективы развития и применения оборудования ИИ

1.1.1. Ионно лучевая модификация материалов.

1.1.2. Ионно-лучевая литография.

1.1.3. Ионная имплантация в проблеме КНИ.

1.2. Установки ионно-лучевой обработки

1.2.1. Основные характеристики.

1.2.2. Ускоритель ионов.

1.2.3. Приёмная камера.

1.2.4. Выход годных — критерий качества оборудования.

ГЛАВА 2. ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ УСКОРИТЕЛЯ.

2.1. Электрическая прочность вакуумного межэлектродного зазора

2.1.1. Элементарные процессы разрушения электродов.

2.1.2. Распределение плотности эмиссионного тока на аноде.

2.1.3. Условие локального взрыва анода.

2.2. Электрическая прочность изоляторов в вакууме

2.2.1. Предпробойные явления.

2.2.2. Пробивное напряжение.

2.2.3. Пробивное напряжение изоляторов сложной формы.

2.2.4. Влияние внешних воздействий на пробой по поверхности.

2.2.5. Количественные модели пробоя по поверхности.

2.3. Внешняя высоковольтная изоляция.

ГЛАВА 3. ГЕНЕРАЦИЯ, ФОРМИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОГО ПУЧКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИОННО

ЛУЧЕВЫХ УСТАНОВКАХ

3.1. Ионные источники

3.1.1. Физические процессы в газоразрядных источниках ионов.

3.1.2. Выбор катода ионного источника.

3.1.3. Ионный источник типа «Пигатрон».

3.1.4. Сильноточный источник протонов.

3.2. Экстракция и сепарирование ионного пучка

3.2.1. Особенности экстракции ионов из газоразрядных источников.

3.2.2. Разделение ионов по массам.

3.3. Ускоряющая структура высоковольтного имплантера

3.3.1. Основные принципы построения.

3.3.2. Оптика ускорительных трубок.

3.3.3. Конструкции высокоградиентных ускорительных трубок.

3.4. Система высоковольтного питания

3.4.1. Высоковольтный выпрямитель.

3.4.2. Передача мощности в высоковольтный терминал.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ПОДДЕРЖКА ПРОЦЕССА ИМПЛАНТАЦИИ

4.1. Приемная камера

4.1.1. Однородность легирования по пластине.

4.1.2. Температурный режим обработки.

4.1.3. Производительность.

4.2. Управление имплантером и контроль технологического процесса.

ГЛАВА 5. УСТАНОВКИ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ СЕРИЙ «ПРИЗ»И«ВИТУС»

5.1. Имплантеры серии «ПРИЗ»

5.1.1. Экспериментальная установка «ПРИЗ-З50».

5.1.2. Ионно-лучевая установка «ПРИЗ-200».

5.1.3. Ионно-лучевая установка имплантации ионов водорода «ПРИЗ-500»

5.1.3.1. Структура и компоновка.

5.1.3.2. Стойка питания и управления.

5.1.3.3. Система управления и контроля.

5.2. Высокоэнергетическая технологическая установка «ВИТУС-07»

5.2.1. Описание конструкции установки.

5.2.2. Система управления.

5.2.3. Программное обеспечение.

5.2.4. Исследование предельных характеристик установки.

5.3. Перспективные модульные установки.

5.3.1. Основные технические данные и характеристики установки ионного легирования «ВИТУС-1,5».

5.3.2. Малогабаритный аналитический комплекс (ионный микроанализатор)

5.3.3. Сильноточный имплантер «ВИТУС-0,25».

5.4. Физический проект установки ионно-лучевой литографии «Ореол»

5.4.1. Постановка задачи.

5.4.2. Энерго-масс-сепаратор.

5.4.3. Выбор варианта ионно-оптической колонны.

5.4.4. Система высоковольтного питания.

5.4.5. Экстрактор-коллиматор.

5.4.6. Проекционная система.

ГЛАВА 6. НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ 6.1. Обработка полупроводниковых материалов на у имплантерах «ПРИЗ» И «ВИТУС»

6.1.1. Формирование оптических волноводов в арсениде галлия

6.1.2. Протонно-стимулированная диффузия.

6.1.3. Селективное травление, облученных протонами полупроводниковых материалов.

6.1.4. Внедрение технологии протонной изоляции в техпроцесс изготовления серийно выпускаемых приборов.

6.1.5. Высокоэнергетичная имплантация в кремний.

6.2. Формирование микроизображений методом ионно-лучевой проекционной литографии ф 6.2.1. Выбор сорта ионов для ионно-лучевой литографии.

6.2.2. Термомеханическая стабильность масок.

6.2.3. Получение субмикронных элементов изображения методом ионно-лучевой литографии.

6.3. Упрочнение поверхности конструкционных металлов и сплавов

6.3.1. Методика ионно-лучевой обработки.

6.3.2. Ионно-лучевое борирование.

6.3.3. Влияние элементного состава пучка на упрочнение.

6.3.4. Ионно-лучевое смешивание и трибологические характеристики.

6.3.5. Кристаллохимический анализ.

6.3.6. Качественная модель износа при сухом трении.

ВЫВОДЫ.

Как известно, рождение технологии ионной имплантации в производстве приборов микроэлектроники (МЭ) связано с изобретением Шоттки в 1956 году способа формирования р-п перехода путем легирования полупроводникового кристалла ускоренными ионами.

Перспективность метода заключалась в высокой точности дозировки и предельной локальности внесения примесей без процессов изменения рельефа исходного полупроводникового кристалла. Благодаря этим основным качествам, имплантация органически вошла в процесс производства приборов МЭ, и, наряду и совместно с процессами диффузионной разгонки, напыления различными методами эпитаксиального наращивания обеспечила успехи современной микроэлектроники.

Поскольку процессы взаимодействия ионов с твердыми телами приводят не только к изменению электрических свойств, как в полупроводниках, но и к изменению трибологических, прочностных и коррозионных свойств твердого тела, постольку технология ионной имплантации, будучи основой производства приборов МЭ, широко используется и в области опто- и акусто-электроники и в области машиностроения и металлообработки. В настоящее время технология имплантации стала универсальным и прецизионным инструментом для приспособления природных материалов для нужд человека и создания совершенно новых не существующих в природе материалов с уникальными свойствами, изготовления микро- и нано-механических устройств.

Для решения технологических проблем на протяжении более чем "50 лет различными фирмами и предприятиями как за рубежом, так и в нашей стране было создано значительное количество установок для имплантации ионов. В нашей стране основное количество моделей имплантеров с широким спектром энергий и токов было разработано в НИИВТ им. С.А. Векшинского [1-4]. В основном - это ряд установок «ВЕЗУВИЙ». Начиная с середины 80-х годов в г.Саратове на заводе «ЭЛМАШ» началось массовое производство установок ЛАДА-20 и ЛАДА-30, разработанных ОКБ завода на базе зарубежных моделей «Челенджер» и «Линтотт». Впоследствии эти установки были оснащены новыми приёмными камерами и поставлялись на предприятия как ИЛУ малых и средних доз ДНЕПР и ДОЗА, и ИЛУ больших доз ДЕКРЕТ. Однако, в средине 80-х, в связи с интенсивным развитием интегральной оптоэлектроники квантовых приборов на гетероструктурах и СВЧ приборов на материалах А3В возникла необходимость разработки ионных имплантеров с энергетическим диапазоном, превышающим освоенные в промышленности 200 кэВ и пригодных для ускорения протонов. За рубежом, к этому времени существовали высоковольтные ускорители и имплантеры на их основе с энергией до 400 кэВ и даже до 1,5 МэВ. В основном это имплантеры фирмы Highe Voltage Engeniring, Europa B.V. (Нидерланды), электростатические ускорители серии "TANDETRON" фирмы NEC (США). В нашей стране в НИИВТ им. С.А.Векшинского была разработана и изготовлена опытная ИЛУ ВЕЗУВИЙ-9 с проектной энергией 600 кэВ. Эта установка практически не нашла применения в промышленном производстве приборов МЭ, ввиду необходимости размещения в специальном, радиационно защищенном помещении, низкой надёжности и малой производительности.

Проблема оснащения производства приборов МЭ высокоэнергетичными имплантерами ещё более обострилась в связи с повышением степени интеграции ИС и СБИС, созданием радиационно-стойких приборов и стремлением к сокращению технологического цикла и стоимости производства Наличие высокопроизводительного оборудования высокоэнергетической имплантации позволит гибко управлять параметрами активных и паразитных компонентов в структурах кремний-на-изоляторе (КНИ). Создание компактных высокоэнергетичных ускорителей позволяет значительно улучшить ситуацию в области аналитического приборостроения с использованием неразрушающих и абсолютных методов элементного анализа, производства высокоинтенсивных нейтронных генераторов [5]. Применение технологии высокоэнергетической сильноточной имплантации и разрабатываемое оборудование найдут широкое применение не только для решения задач МЭ, но и в машиностроении.

Темпы развития технологии имплантации и оборудования для ее обеспечения характеризуются экспоненциальным ростом. И, как всегда бывает в случае взрывного развития новой отрасли техники, оборудование для осуществления этих технологий, в данном случае имплантеры, представлены широким спектром конструкций и типов с различными эксплуатационными и физическими параметрами. Хронология развития имплантеров для полупроводниковой промышленности и динамика роста доли ионно-лучевых операций в производстве приборов микроэлектроники (МЭ) представлены на диаграмме (рис. 1). Видно, что тенденция развития МЭ ведет к увеличению имплантаций в процессе легирования от 2-3-х имплантаций в 1970-75 г. до 11 15 в 2000 г„ что связано с уменьшением проектной нормы приборов от 3 до 0,18 мкм [6,7]. В связи с этим ионные имплантеры становятся важнейшим оборудованием технологического процесса. Пропорционально росту количества имплантаций и объема производства приборов МЭ растет количественный и качественный состав парка имплантеров. Мировой объем производства ионных имплантеров в 2000-2001 г.г. достиг 2-х млд. долл. в год При стоимости единицы оборудования в среднем ~ 2 млн. долл. количество установок достигает - 1000 штук в год.

К настоящему времени парк имплантеров России (за исключением ~ 6-7 иномарок) представлен установками «Везувий-5», «Днепр», «Лада-30» Середина 90-х годов ознаменовалась выпуском на заводе «Элмаш» (г. Саратов) модификаций установок «Днепр»-«Доза» и «Лада-30»-«Декрет». Имплантеры имеют однотипную инжекторную часть и отличаются только приемными камерами с шлюзовой загрузкой пластин из стандартных кассет. Установка «Доза» предназначена для поштучной обработки 150 мм пластин, а установка «Декрет» - для групповой обработки по 12 пластин на диске. В процессе эксплуатации установки показали хорошую устойчивость в работе и соответствие реально достигаемых параметров с проектными по

Vj Чэ <8 <8

J »ч , w ^ ^ * £

4 $ $ 3 й ч <) щ Ч

НИИ ВТ серия «Везувий»

4* ^ ^ 'I

ЭЛМАШ

ИЯФ СО РАН

ТОО «РВВК»

ГУП «Компания МЭТИС»

О«-"

EATON/NOVA/KASPER

-а—» о о о а—» а v-Vf^' о а а

-в—0-0—9-W<W-e

ULVAC

HISSIH

VEECO/Ai

A IT/LINTОТТ t в*9

200 "f"

Я-ДО-6-fe-в®-®-а-ф©-2-9- J У

AIM-210 2ioowe/HC.i2ea»o

-4-М—f

WITH OR EW( J? - s

SEHIESJESIESIISERISS III SERIES Ш-Х PI9000f>l9200i>ra200!( JPl330a# Oj.» »

0—0 ooo—о oooo

VAR1AN £XTRION/IIS) K

4 4 4 4444 4

4 4 * ^l520KESr»El

GENERAL lONEX/CENUS.

-I-1—(-yAC4UI rtd by Vvisn

Год

70

75

•80

85 4

•90

95 +

2000

2-3 <-6 6-0 tt-11 3-13 11.15

Число имплантаций -4 ь. ь- ► ►

PMOS NMOS CMOS CMOS/SIC М05 soi?

5 3 2 1.6 1.2 .0 . 5 . 35 .25 .18 Проектная норма, мкм ' ' ' 1 1 ' '

50 75 100 125 150 • 200 3 00

Диаметр подложки, мм и-в-в-0-в-в"-— о—

Рис. 1. Хронология развития имплантеров для полупроводниковой промышленности и динамика роста доли ионно-лучевых операций в производстве приборов микроэлектроники привнесенной дефектности, бою пластин и однородности легирования.

Повышение производительности установок «Доза» и «Декрет» реально до предельных возможностей инжекторов (по мощности питания ионных источников и высоковольтного выпрямителя). Предельно возможные токи составляют 2 мА для «Днепр»-«Доза» и 4 мА - «Лада»-«Декрет».

Дальнейшее повышение производительности установок и расширение технологических возможностей имплантеров возможно за счет усовершенствования приемной камеры и ускорительно-пучкового тракта увеличения эффективности ионного источника и увеличения тока луча. Для реализации этих возможностей разрабатываются имплантеры серии ТИУС.

Известно, что прогресс микроэлектроники реально достигается за счет уменьшения числа элементов и увеличения плотности их упаковки Существенным же моментом является то, что увеличение числа элементов на кристалле при практически неизменной стоимости его сопровождается быстрым падением стоимости отдельного элемента.

До 80-х годов наблюдалось ежегодное увеличение в два раза числа элементов на кристалле [8]. В последующем происходило увеличение числа элементов на чипе в два раза каждые два года , так что к 2000 г. достигло ~ 109

Начиная с 80-х годов происходит переход технологии микроэлектроники на принципиально новый уровень: изготовление СБИС с трехмерной компоновкой элементной базы и увеличением степени интеграции до десятков мегабит на кристалл. При этом возникает ряд технологических проблем, для решения которых необходимо расширить энергетический диапазон ионных имплантеров в сторону больших энергий. Использование высокоэнергетической (0,1-1 МэВ) имплантации позволит решить такие проблемы, как создание «ретроградных» карманов, глубокая подгонка порогов создание скрытых проводящих, изолирующих, геттерных слоев и т.д Высокоэнергетическая имплантация малых доз расширяет технологические возможности и позволяет разрабатывать и выпускать заказные микропроцессоры, в которых имплантация примеси в область канала может осуществляться уже после формирования МОП-структур, что должно существенно увеличить выход годных благодаря снижению разброса по пороговому напряжению, снижению уровня микродефектности, а также за счет возможности подгонки до требуемого уровня порогового напряжения по результатам измерения порогового напряжения контрольных транзисторов на разделительных дорожках подложки.

Наличие прецизионного оборудования высокоэнергетической имплантации позволит гибко управлять параметрами активных и паразитных компонентов в структурах кремний-на-изоляторе (КНИ).

Кроме того, применение технологии высокоэнергетической имплантации и разрабатываемое оборудование найдут широкое применение при изготовлении логических схем повышенной информационной емкости с биполярной элементной базой для формирования скрытых слоев, изоляции элементов, а также в схемах, выполненных на соединениях типа А3В5, А2В6 и др., для изоляции элементов схем радиационными дефектами (протонная изоляция), создания заданного распределения легирующей примеси по глубине и площади, без использования длительных температурных воздействий.

Увеличение степени интеграции и быстродействия интегральных схем освоение производства БИС, СБИС, ССИС, а также приборов функциональной электроники (магнито-, опто-, акустоэлектроники и т.п.) требуют применения как новых материалов, так и разработки технологического оборудования методов и приемов, позволяющих существенно уменьшить размеры элементов интегральных схем с одновременным увеличением точности их воспроизводства [9].

Новые технологические процессы должны не только улучшать параметры и характеристики приборов, но и обладать высокой экономичностью, обеспечивать повышение производительности труда снижение трудоемкости и себестоимости изделий.

В машиностроении используются установки, обычно применяемые для полупроводникового производства, снабженные специальными рабочими камерами. Энергия ионов до 200 кэВ, токи пучков 1-3 мА. У нас в стране широкое распространение получили установки имплантации импульсными пучками не сепарированных ионов. Однако низкая стоимость такого типа установок не перекрывает явных недостатков, определяемых высокой загрязненностью ионного пучка посторонними ионами, низким средним током при сильном импульсном перегреве деталей, что недопустимо на закаленных деталях.

Цель работы заключалась в: создании ряда малогабаритных высоковольтных ускорителей с энергией однозарядных ионов выше 200 кэВ и технологических установок на их основе

- экспериментальном исследовании процессов ионно-лучевой модификации поверхностных слоев широкого класса материалов;

- технологическом применении разработанного оборудования для формирования субмикронной топологии и физической структуры приборов МЭ, упрочнении инструмента, оснастки и деталей машин и механизмов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать физические принципы построения малогабаритных высокоэнергетичных и сильноточных ионных имплантеров;

2. Экспериментально исследовать, выявить закономерности и разработать модели перекрытия вакуумной поверхности высоковольтных изоляторов и электрического пробоя вакуумного межэлектродного зазора.

3. Разработать методику расчёта, принципы конструирования и технологию производства высоковольтных вакуумных изоляторов и ускоряющих структур.

4. Определить ограничения и найти оптимальные решения ионно оптических трактов и элементов ионных имплантеров.

5. Разработать компактные мощные генераторы высокого напряжения и системы передачи мощности.

6. Разработать компоновочные решения малогабаритных высоковольтных имплантеров .

7. Разработать принципы построения АСУ имплантеров на базе ЭВМ скомпоновать комплект аппаратного и создать пакет программног обеспечения.

8. Исследовать оптические свойства проекционной системы установк ионно-лучевой литографии (ИЛЛ) и провести экспериментальную проверк возможностей формирования субмикронных изображений методом ИЛЛ.

9. Исследовать процесс протонно-лучевой модификации оптических электрических свойств полупроводников А3В5, стекол и электроактивны кристаллов.

10. Исследовать изменения свойств поверхностных слоев металло и сплавов в процессах ионной имплантации и ионно-лучевого перемешивания.

11. Разработать модель абразивного износа металлических деталей упрочненных методами ионной имплантации и ионно-лучевого перемешивания

Выявленные при решении этих задач элементы научной новизны практической ценности выдвигаются автором в качестве научных положени для защиты:

1. Тепловой и десорбционный механизмы пробоя ускорительных трубок по вакуумной поверхности и механизм пробоя вакуумного межэлектродного зазора, что позволило сконструировать ускорительные трубки для ионных имплантеров с предельным темпом ускорения.

2. Методики расчета и принципы конструирования критических элементов высокоэнергетичных имплантеров, включая:

- высоковольтные вакуумные изоляторы, оригинальную технологию их производства;

- вводы и ускорительные трубки, используемые во многих типах приборов установок и оборудования; компактные мощные генераторы высокого напряжения и высоковольтные разделительные трансформаторы для высоковольтных ускорителей;

- ионные источники и элементы ионного тракта;

- выбор оптической системы ускорительной структуры высоковольтного ускорителя ионов;

- приёмные камеры с системами управления и контроля процесса легирования.

3. Численное моделирование и оптимизация оптических свойств ионного тракта, установки протонно-лучевой проекционной литографии субмикронного диапазона.

4. Результаты экспериментов по отработке технологии формирования лазерных светодиодов на гетероструктурах ОахА11хАз, и формирования изолирующих областей для СВЧ полевых транзисторов с применением установок ПРИЗ-350, ПРИЗ-500 и ПРИЗ-200, а также возможности формирования ретроградного кармана в кремнии на глубине 1,5 мкм с использованием установки ВИТУС-0,7. ю

5. Энергетическая модель трения-износа в условиях абразивного сухого истирания инструмента и деталей из конструкционных металлов и сплавов, упрочнённых методом ионной имплантации и ионно-лучевого смешивания.

Практическая ценность работы.

На основании реализации установленных в работе научных положений созданных ионно-лучевых технологических установок и проведенны экспериментов по изменению свойств широкого класса материалов достигнуты следующие практические результаты.

1. Выработана концепция построения и принципы конструировани унифицированных малогабаритных высоковольтных ускорителей ионов оптимальных для использования в составе ионных имплантеров, нейтронны генераторов, установок микрозондового анализа и другого электрофизическог оборудования.

2. Создан ряд ионных имплантеров с энергией от 200 до 1500кэВ предельно малых габаритов: ПРИЗ-350, ПРИЗ-200, ПРИЗ-500, ВИТУС-0,7 ВИТУС-0,25, ВИТУС-0,7М, ВИТУС-1,5, отвечающий современному уровню технологии производства приборов микроэлектроники.

3. Разработаны и внедрены в производство оригинальные системы рабочих элементов приёмных камер.

4. Разработан физический проект установки ионно-лучево проекционной литографии субмикронного диапазона.

5. Разработана методика расчета и конструирования ускорительны трубок, опорных и проходных вакуумных изоляторов, высоковольтны вакуумных вводов широкого диапазона назначения и величин напряжения.

6. Разработана модель трения-износа, на основании которой отработан практическая технология упрочнения деталей машин и механизмов, а такж методика расчета технологических режимов обработки с целью увеличени рабочего ресурса.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Диссертация выполнена в рамках программы НТК «Ускоритель», проекта ФЦП «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» Б-0101 «Разработка информационных систем проектирования металлических материалов и технологий их получения» конкурса грантов Министерства образования в 1996-1998 г.г. по фундаментальным исследованиям, НИОКР по договорам с ОКБ при НЭВЗ НПО им. П.С. Плешакова, ФТЦ ИЯФ СО АН СССР и представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором в 1977-2003 г.г.

Результаты работы использованы при создании промышленны ускорителей серии ЭЛВ в Институте ядерной физики СО АН СССР (г Новосибирск), ряда высоковольтных электрофизических приборов в НИИ «Титан» (г. Москва). Отдельные разработки и методики, полученные в работе использованы в АОЗТ «Корона-Семикондактор, ЛТД», АООТ «НИИ МЭ завод «Микрон», в ГУП «Компания МЭТИС».

Созданные в порядке выполнения работы установки серии ПРИЗ БИТУ С были поставлены на предприятия НИИФП им. Ф.В. Лукина, «Элас» (г Зеленоград), НПО «Исток» (г. Фрязино), ОКБМ при НЭВЗ, НПО «Адрон» (г Новосибирск), Филиал НЗГТП (г. Томск), НПО «Север» (г. Новосибирск).

На созданном оборудовании проведен целый ряд оригинальны постановочных технологических работ, НИР и ОКР, осуществляете промышленное производство приборов микроэлектроники.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: IX Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна-84), XI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (ГДР, Берлин-84), 3-ей Международной конференции по импульсной и пучковой модификации материалов (ГДР, Дрезден-89), II Всесоюзном семинаре «Микролитография-90» (Черноголовка-90) Международной конференции по ионной имплантации и ионно-пучковому оборудованию (Болгария, Элените-90), П-й Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Свердловск-91), 4-й Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск-94) Международной НТК по лазерным и физико-техническим методам обработки материалов (Киев-95), 3-ем Российско-китайском симпозиуме по материалам и процессам в микроэлектронике (Калуга-95), 4-ом Российско-китайском симпозиуме по актуальным проблемам современного материаловедения (Китай-97), (Звенигород-95), IV Всероссийском семинаре по физическим и физико-химическим основам ионной имплантации (Н.-Новгород-98) Международной НПК по инженерно-техническому обеспечению АПК и машинно-технологических станций в условиях реформирования (0рел-2000), 7 9-ой НТК с участием зарубежных специалистов по вакуумной науке и технике (Судак-2000-2003), Межотраслевой НТ конференциях «НИИМЭ и Микрон» (Зеленоград-2001-2003), Научно-практическом семинаре по проблемам специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур (Н.-Новгород-2002, 2003), XVIII Всероссийском Совещании по ускорителям заряженных частиц (0бнинск-2002), Харьковской научной Ассамблее (Харьков-2003), XV Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (0бнинск-2003).

Работа в целом обсуждена на расширенном заседании НТС ФГУП «Красная Звезда». ^

По теме диссертации опубликовано 63 научный работу из которых 41 включена в список основных по теме диссертации, в том числё'МГпубликаци^и в периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования РФ для публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук, получено 1 авторское свидетельство, 2 патента, а также некоторые результаты использованы в учебном процессе (изданы методические указания и учебное пособие).

выводу:

- • имплантащюнные параметры процессов высокоэнергетической имплантации полностью согласуются с заданными значениями и теоретическими расчетами:

- точность, однородность и воспроизводимость дозы и энергии для импплантации ионами бора и фосфора не превышают 20%;

2.Работы по определению реального коэффициента готовности установки ВМТУС-0.7 и привнесенной дефектности требуют большого набора статистических данных и будут завершены в 1Э93г.

CAMECA D64F nie :

3 i 1

19

JUiîîlj

DEPTH PROFILE 12-N0V-92 j-.rT. H

31 H i 10 «S m u i

16

H 3 ■1

15 S

M 4 U

TTM 1 J rr i]lTITj-T 1 i 15 ! 1.5 lierons я

СИШ IMS4F file : P3PL6a sample : PinSi 13; lE 12-H0V-92 "i й I h ' J

IIP) rn

О -J—> ro т-рт'гггргтттгггт r''^ Ii i 1.5 2 microns rri г. itfïLbn Irknl nie. ^

3 •i

19

13 ffl PROFILE 12«

3PL5a sa®le : PinSI #2; Q-i0ica/cai2

31 H

13 J il . i ■ 1/

•, i 18 19

5 : « 1

H i u ; V v A a M 19 -j-rn ryrrn nui p itti I 9.5 i 1.5 2 j!

ITTJI i ^ ! 2.5 n lierons г*. f

Я, 4

Комитет РФ по оборонным отраслям промышленности

Государственное научно-пронаводственное предприятие „Исток"

Научно-производственное предприятие

ИСТ0К-220"

Филиал ГНПП „Исток"

141120, г. Фрязино Московской обл., ул. Вокзальная, 2а, НПП «Исток-220» Телефон: (095) 465-86-36 Телекс: 911507 КОТГС Телетайп: 346306, 346383 ЛЕН (

Р/с 263636 Филиал ММКБ, г. Щелково Моск. обл, МФО 211792 РКЦ," 141070, г. Калининград Моск. обл., МФО 212274. кор. сч. 154161100

03.06.93 г.

17/220

- ¡■■ч*» .г« -V на №

УТВЕРВДАЮ"

ИСТ0К-220" : 1 /РОЖКОВ с.е./ июня 1993 г. К

-от

СПРАВКА

В соответствии с планом технического перевооружения ГНПП "Исток" введен в эксплуатацию малогабаритный ускоритель "Приз-500" - (разработка ШФ СО АН).

С использованием ускорителя закончена выполняемая по плану МЭП ОКР, создана и внедрена в опытное производство промышленная технология глубокой (до 5 мкм) межэяементной изоляции дискретных и монолитных арсенид-галлиевых приборов.

Выход годных структур (СВЧ смесители, ДЦЦ и другие I приборы) на операции составляет более 90$.

В процессе эксплуатации ускорителя также показана ; эффективность использования его для проведения радиационно--стимулированной диффузии. у.

ЩШ

Главный конструктор ОКР Замдиректора по производ

КРЫС0В Г.А./ /ЖЕЛЕЗНЯКОВ В.И./ • А

РОССИЙСКАЯ ФЕД ЕРАЦИ Я комитет российской федерации.по;патентам • и товарным;зна1^м.;;С, . роспатент) .ххххх х х':' .

ПАТЕНЩ ' 2052517 о'хххх.

1 '-Г^Г Л-'Л

-х-х-хчс с^, с на ИЗОБРЕТЕНИЕ хЦх'х •

Конвекторное кольцо для отжига" металла в колпаковой печи" " . . .• . " .

Патентообладатель (ли): .Акционерное общество " Нэво липецк ий металлургический комб инат"

Х;ХХХ .

V '

Автор (авторы): зранценюк Иван Васильевич,. Рябов Вячеслав Васильевич, Франценюк йэдмила Ивановна, -:ххх-Коныпин Александр Петрович, Капнин Владимир . Викторович, Кляпицын Владимир Александрович, • , Авдиенко Александр Андреевич и Шкатов Валерий :

Викторович . ' ;; .

-. ".".-,хх :-:;схлххСхх.х•■"- •'-■ ххх.х-х Приоритет изобретения ' : ^чо??^^3^®1

Дата поступления заявки в Роспатент ;27. ; апреЛЯ .1993г

Заявка № 93025220 .х'хх- х'-^ёШ^у', x:\-xsrtx~x:-. ■■ х; х: .

Зарегистрирован реестре изобретений х::. V ;. X х-хх ххх;х:<-х;хх у. у у хххх^Зо0<;0

• ••*:'•'• V X : Vх.хх^Т^'-х^х.х X ххх х ' . хо.: •"•• х.схх"' л председатель: ^ос^тентащ^

• 'у^С-ху-х :X' ХХХОХХЧХХХ . ' : .хХ х ХА^Х^^'Х X ' х.х.'.Сх. х . х-хххххх

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ комитет росс!//ской федерации по патентам* и "оварным знакам

Роспатент)- :'

ПАТЕНТ

2075525 ы ИЗОБРЕТЕНИЕ „'

Способ получения цин*; из цинкового дроса.х чххх:- х

V V V V

Патентообладателям): Акционерное оётестЕо "Ново липецкий металлургический комби-ат"

Фр=нценюк Людмила Ивановна,Белянский Андрей Дмитриевич,Асдиенко Александр Андрее-д / \ =*ч,Шкато8 Валерий Викторович,Рябов Вя

Автор (авторы):че :пав Васильевич,Коцарь Сергей Пеонидо-вич.Кляпицын Владимир 1лек сан орооич,Коньшин Александр Петрович,Колпаков Сергей Се:аФимович ,Шаршаков Иван. Михайлович , Аста-шова Раиса Васильевна,т|ещерякос Алексей Анато л ье в и ч , Бирюк о в Александр Сергеевич , КъIако в Валерий Викторович,Ефименк о Сергей Петрович.Стебенев Андпей Сергеевич,Капнин Владимир Викторович и Хзатова Нина Федорсг-з

Приоритет изобре-ения

6 января 1994г

Дата поступления заявки в Роспатент 6 января 1994г

Заявка № Ю00537 „V Зарегистрирован з Государственном " г::реестре изобретен^

20 марта 1997г

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ РОСПАТЕНТА