Ionová implantace: <br>O způsobu, který revolucionalizoval výrobu polovodičů

Ionová implantace je klíčová pro dopování polovodičů, tedy proces, při kterém jsou do polovodiče vnášena cizí atomová jádra. (Copyright: FBH | Matthias Baumbach)

Vývoj iontové implantace v 60. letech byl jedním ze základních předpokladů pro výrobu vysoce integrovaných obvodů, jak je známe dnes. Tento proces se používá k zavádění cizích atomů do polovodiče a tím například ke změně jeho vodivosti (dopování). Na Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH), se Dr. Andreas Thies, vedoucí pracovní skupiny „Backend“, mimo jiné zabývá otázkou, jak může být iontová implantace dále zlepšována. Hovořili jsme s ním o jeho pracovním dni, výzvách a inovacích v procesu výroby polovodičů.

Pane Thies, pracujete v Leibniz FBH v oddělení pro procesní technologie a vedete tam pracovní skupinu Backend. S jakými procesy se konkrétně zabýváte?

Úkolem naší pracovní skupiny je vyrábět jednotlivé prvky z komponent, které jsou ještě na kompletním waferu, tedy tzv. čipy. Poté, co jsou čipy například řeženy nebo laserem odděleny od waferu, je třeba je dále zpracovat jednotlivě. Tento krok označuje přechod od frontendu k backendu. Zatímco při frontendu probíhají všechny procesy na waferu, v backendu se zpracovávají jednotlivé čipy. Existují také dvě oblasti, které tradičně patří do backendu: jednou je implantace – není to příliš čistá technologie – a galvanika.

Co znamená v tomto kontextu „nepříliš čistá“?

Pracujeme v čisté místnosti a ta je absolutně bez částic. Ovšem: „absolutní“ jako zobecnění samozřejmě není úplně přesné. Existují různé třídy částic a podle toho, v jaké čisté místnosti se pracuje a jaké jsou struktury, které se vyrábějí, je třeba dodržovat různé třídy částic. Když se v backendu něco řeže nebo štěpí, vzniká oděv, tedy malé částice. Při definování, jak čistá místnost je, jde v konečném důsledku o počet částic a jejich velikost. Ve srovnání s lékařskou nebo biologickou čistou místností je backend samozřejmě stále velmi čistý. Kritéria kvality frontendu však jsou ještě přísnější.

Podívejme se nyní na implantaci a vaši každodenní práci. S jakými úkoly se aktuálně zabýváte a s jakými výzvami se při tom potýkáte?

V současnosti pracujeme na dalším zlepšování naší iontové implantace. Typicky je iontový implantér poměrně složitý přístroj. S naším implantérem zavádíme velmi mnoho různých iontů. Existuje mnoho parametrů, které lze upravit, aby bylo možné řídit proces implantace. Ovšem jsou i oblasti, kde jsme omezeni, například u napětí urychlení. Toto napětí je odpovědné za hloubku implantovaných iontů v materiálu. Ovlivňuje nejen hloubku průniku iontů, ale také jejich rychlost a energii, což má opět dopad na jejich interakci s materiálem. U nás je maximální napětí 500 000 voltů. Vyšší napětí nemůžeme nastavit, jednak proto, že je to zakázáno z hlediska radiační ochrany, a také proto, že to technicky není možné v našem prostoru pro implantaci.

Co například můžeme dělat, abychom cíleně nastavili požadované elektrické vlastnosti, je implantovat mnoho různých iontů. To je zásadní rozdíl od průmyslové implantace. Tam je většinou několik desítek iontových implantérů, z nichž každý je určen pro specifický úkol. Jeden se používá pro fosforové implantace, jiný pro arsenové nebo antimonové implantace. Na rozdíl od výroby ze silikonu máme v FBH jeden implantér, kterým můžeme implantovat vše, co potřebujeme.

Partneři k nám mohou přijít s kovy, plyny nebo kapalinami – a my vše dostaneme do plynné fáze. Nejprve ty látky ionizujeme, urychlíme ionty a poté je vystřelíme do našeho zařízení. Mnoho vlastností materiálů, které se v silikonové technologii nastavují implantací, je v III/V polovodičové technologii dosaženo pomocí epitaxe. K tomu má FBH vlastní oddělení materiálové technologie, které vyrábí speciální vrstvy. Tyto vrstvy pak pouze modifikujeme pomocí iontové implantace, například je lokálně ničíme a tím snižujeme vodivost.

Navíc právě uvažujeme o technikách, jak dále rozvíjet náš implantér tak, aby bylo možné implantovat i při velmi malých dávkách. Dávka je vždy součin času a proudu (počet iontů vystřelených za sekundu na cílový materiál). Když jsou proudy malé, je těžké je změřit. Jakmile proud dosáhne hranice měřitelnosti, nemůžeme jej dále snižovat, i když chceme implantovat jen malou dávku. Čas však také nemůže být libovolně krátký. Potřebujeme na to řešení. Vyzkoušet nové nápady a přístupy mi přináší hodně radosti a činí mou práci rozmanitou.

Jak dlouho trvá, než jsou takové procesy vylepšeny nebo dále rozvinuty?

S posledním příkladem se zabývám asi půl roku. Je to skutečně poměrně složitý proces. Nejprve je třeba vyvinout a naplánovat nápady. Poté objednáme komponenty, jejichž dodání trvá často tři až čtyři měsíce. Následně je třeba části případně ještě upravit v našem dílně před jejich sestavením. Po otestování funkčnosti v běžném provozu jsou díly nakonec instalovány do implantéru, aby se ověřilo, že vše funguje i v ultrahoch-vakuovém prostředí. Iontová implantace totiž probíhá vždy ve velmi vysokém vakuu, tedy při velmi nízkém tlaku.

Iontová implantace je klíčová pro dopování polovodičů, tedy proces, při kterém jsou do polovodiče zaváděny cizí atomy, aby se regulovala jeho vodivost. Dříve se to provádělo pomocí termického procesu nebo difuze. Tento postup je však velmi citlivý na povrchové znečištění. Proč se však iontová implantace prosadila jako metoda a jaké výhody přináší?

Implantace je standardní technika, která umožnila výrobu silikonu, protože zavádění iontů již nezávisí na stavu povrchu. Ať už je na povrchu minimální vrstva znečištění nebo ne, nehraje to roli. Částice jsou urychleny a vystřeleny na povrch s relativně vysokou energií tak, že vrstvy mohou být rovnoměrně proniknuty. Proto je výtěžnost iontové implantace tak vysoká. Implantace také umožnila slavný explozivní nárůst počtu kusů a míry integrace. To byla jedna z podmínek, aby bylo vůbec možné vyrábět dnešní vysoce integrované obvody.

Výběr iontů tedy závisí na použitých materiálech?

Správně, vždy záleží na materiálu a na tom, jaké úkoly nám předkládají naši zákazníci nebo kolegové na institutu. Je třeba přizpůsobit způsob implantace – typ iontu, energii nebo dávku – materiálu. To znamená, že mi kolegové sdělí, jakou vrstvu chtějí mít a jak ji chtějí změnit, a já to simuluji. K tomu existují zavedené softwarové nástroje. U složitější epitaxe trvá naprogramování dvě až tři hodiny. Poté se simulují různé energie a hloubky. Řekl bych, že zpracování běžného požadavku zabere přibližně půl dne. Někdy to může být i celý den. Celkově však nejde o žádnou vědu.

Výhled: Kromě iontové implantace jsme s Dr. Andreas Thies také hovořili o galvanice a významu tohoto procesu pro výrobu polovodičů. Více o tom si můžete přečíst v druhé části rozhovoru na FMD.insight.