Ионная имплантация: перспективы и альтернативы

Ионной имплантацией принято называть легирование тонких приповерхностных слоев твердого тела путем облучения поверхности пучком ионов, ускоренных до энергии 104−106 эВ. Первые публикации по этой тематике датированы началом 60-х годов и речь тогда шла о легировании полупроводников. Это направление доминировало вплоть до начала 80-х годов, когда параллельно с ним появилась и за несколько лет сформировалась новая ветвь исследования и технологии, получившая в последние годы название «имплантационная металлургия».

Универсальность ионной имплантации (и по виду легирующего вещества, и по виду легируемого материала) на начальном периоде «малых доз» позволяла не ограничивать себя ни физическими, ни экономическими соображениями и пытаться применить ее всюду, где есть твердое тело и необходимость как-то изменить свойства его поверхностного слоя. На фоне колоссального расширения фронта работ до поры до времени можно было не замечать отдельных неудач в применении ионной имплантации к тем или иным системам и тут же переходить к другим задачам. Позже, когда бум «Имплантация может все!» сменился более углубленным и серьезным анализом, начали проясняться некоторые физические ограничения имплантационного метода. Этот процесс начался, когда, с одной стороны, стали пытаться для получения тех же результатов пробовать другие, альтернативные методы, а с другой стороны, началась «гибридизация» имплантационной методики с традиционными технологиями.

Переход имплантационной технологии из лабораторий в промышленность ввел в действие мощный экономический фактор оценки — производительность и стоимость операции. Особенно остро этот вопрос встал именно в связи с «имплантационной металлургией» или имплантацией больших доз, где решающим фактором стоимости всей технологии становится производительность имплантационного оборудования. Даже в полупроводниковой технологии, где размеры обрабатываемой поверхности незначительны, длительность и стоимость операции легирования эмиттерных слоев на стандартном имплантационном оборудовании оказалась непомерно высокой; для потребностей же машиностроения эта проблема усугубляется и масштабом производства, и дешевизной остальных операций технологической цепочки.

В связи с этим возникает настоятельная необходимость провести сравнительный анализ основных технологий модификации поверхностных слоев, высветить физические ограничения ионной имплантации и альтернативных технологий применительно к конкретным задачам науки и техники, а также провести ориентировочную экономическую оценку этих технологий и перспективы их освоения в той или иной области промышленности. Этому и посвящена настоящая работа.

Формально ионной имплантацией следовало бы называть облучение поверхности твердого тела атомами или атомарными ионами с энергией не менее 5−10 энергий связи атома в решетке облучаемой мишени (тогда до остановки ион или атом пройдет не менее 2−3 межатомных расстояний, т. е. внедрится, «имплантируется» в объем мишени). Будем, однако, по традиции термином «ионная имплантация» называть здесь более узкий диапазон энергий — от 5−10 кэВ до 50−100 кэВ (это связано и с историей развития метода, и с особенностями оборудования, на котором реализуется облучение, да и с тем, что для других энергий ионов уже практикуются иные наименования процесса). И с самого начала сложилась такая ситуация, что исследователи ионной имплантации декларировали (имея на это достаточно оснований) следующий ряд достоинств легирования методом ионной имплантации (или имплантационного легирования):

• 1. Возможность вводить (имплантировать) любую примесь, любой элемент Таблицы Менделеева.
• 2. Возможность легировать любой материал.
• 3. Возможность вводить примесь в любой концентрации независимо от ее растворимости в материале подложки.
• 4. Возможность вводить примесь при любой температуре подложки, от гелиевых температур до температуры плавления включительно.
• 5. Возможность работать с легирующими веществами технической чистоты и даже с их химическими соединениями (тоже любой чистоты).
• 6. Изотопная чистота легирующего ионного пучка (т.е. возможность легировать не только исключительно данным элементом, но и исключительно данным изотопом этого элемента).
• 7. Легкость локального легирования (с помощью хотя бы элементарного механического маскирования).
• 8. Малая толщина легированного слоя (менее микрона).
• 9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине слоя, недостижимые при традиционных методах с неизбежным диффузионным размыванием границы.
• 10. Легкость контроля и полной автоматизации технологического процесса.
• 11. Совместимость с планарной технологией микроэлектроники.

К настоящему времени эйфория абсолютизации этих достоинств прошла, более или менее определенно сформировались области их наиболее выпуклого проявления, но также и области, где они перестают действовать (ниже об этом будет сказано подробнее). В каждом конкретном случае применения ионной имплантации на первый план выступают те или иные особенности процесса, те или иные физические эффекты, сопутствующие имплантации. Поэтому полезно напомнить перечень основных физических эффектов, существенных при имплантационном легировании (см. табл. 1).

Исследование этих эффектов позволило добиться значительных успехов в использовании ионной имплантации для решения научных задач по целому ряду направлений, как фундаментальных, так и прикладных. Основные области науки, где ионная имплантация стала мощным инструментом исследований, перечислены в Таблице 2, а в Таблице 3 показано, какие из физических эффектов ионной имплантации являются ключевыми при использовании в каждой из этих областей науки.

ионный имплантация приповерхностный физический.

Таблица 1. Основные физические эффекты, сопровождающие ионную имплантацию

Таблица 2. Перечень основных научных направлений, где используется ионная имплантация

Анализируя содержимое Таблицы 3, нетрудно усмотреть, что в большинстве задач при использовании ионной имплантации практически «работает» лишь малая часть того набора физических эффектов, которые определяют результат имплантационного легирования. Этот факт наводит на мысль, что можно для тех же целей использовать другие процессы и методики, или более простые, или более дешевые, или более производительные, или просто более доступные в конкретной ситуации. И наконец, следует отметить, что существуют методики, обладающие, кроме перечисленных в Таблице 1 свойств, еще и другими свойствами, полезными применительно к некоторым конкретным задачам.

Таблица 3. Роль различных физических эффектов ионной имплантации в работах по научным направлениям, перечисленным в Таблице 2.

Примечания к Таблице 3:

• 1. Индексы физических эффектов и научных направлений соответствуют обозначениям в Таблицах 1 и 2, соответственно.
• 2. Знаком «+» отмечены эффекты, играющие значительную роль при работе по данному научному направлению, знаком «-» — не играющие никакой роли; отсутствие знака означает отсутствие надежной информации по данному вопросу.

Таким образом, есть смысл просмотреть основные альтернативные процессы, в тех или иных вариантах применявшиеся как для физических исследований, так и для промышленных технологий. Ориентировочный перечень этих процессов или методик приведен в Таблице 4 (автор не претендует ни на полноту списка, который и так слишком велик, ни на строгость классификации).

Таблица 4. Перечень основных технологических процессов (методик), применимых для решения задач в областях исследования, перечисленных в Таблице 2.