Ionimplantáció: Egy eljárás, amely forradalmasította a félvezetőgyártást

Az ionimplantáció központi szerepet játszik a félvezetők dúsításában, azaz abban a folyamatban, amikor idegen atomokat juttatnak a félvezetőbe. (Szerzői jog: FBH | Matthias Baumbach)

A 60-as években az ionimplantáció fejlődése az egyik alapvető feltétele volt annak, hogy magas integráltságú áramköröket, mint amilyeneket ma ismerünk, gyárthassunk. A módszert arra használják, hogy idegen atomokat juttassanak egy félvezetőbe, és ezáltal például megváltoztassák annak vezetőképességét (dózálás). A Ferdinand-Braun-Institutban, a Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH) intézetben Dr. Andreas Thies, az „Backend” munkacsoport vezetője, többek között azzal foglalkozik, hogyan lehet továbbfejleszteni az ionimplantációt. Mi vele beszélgettünk a mindennapi munkájáról, kihívásairól és innovációiról a félvezetőgyártásban.

Uram, Ön a Leibniz FBH-nál dolgozik a Prozesstechnológia osztályon, és ott az Backend munkacsoportot vezeti. Milyen folyamatokkal foglalkozik konkrétan?

A munkacsoportunk feladata, hogy a még teljesen egyetlen lapkán (waferen) lévő alkatrészekből egyedi elemeket, úgynevezett chipeket készítsünk. Miután például a lapkát vágással vagy lézerrel kivágják a waferből, mindegyiket külön kell tovább feldolgozni. Ez a lépés jelenti az átmenetet a front-end és a back-end között. Míg a front-end folyamatok a waferen zajlanak, addig a back-endben az egyes chipeket kezeljük. Emellett két hagyományos back-endhez tartozó terület van: az egyik az implantáció – ez nem kifejezetten tiszta technológia – a másik a galvanizálás.

Mit jelent nem különösen tiszta ebben az összefüggésben?

Mi tisztatérben dolgozunk, amely abszolút részecskementes. Bár: az „abszolút” kifejezés általánosításként természetesen nem teljesen pontos. Különböző részecskekategóriák léteznek, és attól függően, hogy milyen tisztatérben dolgozunk, illetve milyen kicsi szerkezeteket gyártunk, különböző részecskekategóriákat kell betartani. Amikor a back-endben valamit vágunk vagy szétbontunk, keletkezik kopás, azaz apró részecskék. A tisztaság szintjének meghatározásánál végső soron a részecskék száma vagy mérete számít. Összehasonlítva egy orvosi vagy biológiai tisztatérrel, a back-end még mindig nagyon tiszta. Az front-end minőségi követelményei azonban még magasabbak.

Most nézzük meg az implantációt és a mindennapi munkáját. Milyen feladatokkal foglalkozik jelenleg, és milyen kihívásokkal szembesül?

Jelenleg azon dolgozunk, hogy tovább fejlesszük ionimplantációnkat. Klasszikusan egy ionimplantáló egy meglehetősen összetett berendezés. A mi implantálónk sokféle különböző iont juttat be. Számos paramétert lehet beállítani, hogy irányítsuk az implantációs folyamatot. Ugyanakkor vannak korlátaink, például a gyorsítófeszültség terén. Ez a feszültség határozza meg az implantált ionok mélységét a anyagban. Nemcsak az ionok behatolási mélységét befolyásolja, hanem azok sebességét és energiáját is, ami hatással van az anyaggal való kölcsönhatásra. Nálunk a feszültség maximum 500.000 volt. Magasabb feszültséget nem állíthatunk be, egyrészt a sugárvédelmi okok miatt, másrészt mert a berendezés helyigénye ezt nem teszi lehetővé.

Például azzal tudjuk beállítani a kívánt elektromos tulajdonságokat, hogy sokféle iont implantálunk. Ez jelentős különbség a gyári implantálásokhoz képest. Ott általában tucatnyi implantálót használnak, amelyek mindegyike egy adott feladatra van beállítva. Az egyik foszforimplantációkra, a másik arzén- vagy antimonimplantációkra. Ellentétben a szilíciumiparral, nálunk a FBH-n van egy implantálónk, amellyel mindent tudunk implantálni, és kell is.

Partnerek hozzánk jöhetnek fémekkel, gázokkal vagy folyadékokkal – és mindent gázzá tudunk alakítani. Először ionizáljuk az anyagokat, gyorsítjuk az ionokat, majd bevetjük őket a munkadarabunkba. Sok anyagtulajdonság, amit a szilíciumtechnológiában implantációval állítanak be, a III/V félvezető technológiában epitaxissel érhető el. Ehhez a FBH-nak van egy saját anyagtechnológiai részlege, amely a speciális rétegeket gyártja. Ezeket a rétegeket csak azután módosítjuk ionimplantációval, például helyileg megsemmisítve őket, így csökkentve a vezetőképességet.

Ezenkívül jelenleg olyan technikákat dolgozunk ki, amelyekkel továbbfejleszthetjük implantálónkat úgy, hogy még nagyon kicsi dózisok esetén is lehetőség legyen implantálni. A dózis mindig az idő és az áram szorzata (az ionok száma, amely másodpercenként a céltárgyra kerül). Amikor az áramkicsi lesz, nehéz mérni. Ahogy az áram eléri a mérhetőség határát, nem tudjuk tovább csökkenteni, még akkor sem, ha csak kis dózist akarunk implantálni. Az idő sem lehet végtelenül rövid. Ehhez megoldást kell találnunk. Az új ötletek és megközelítések kipróbálása sok örömöt okoz nekem, és változatossá teszi a munkámat.

Meddig tart általában egy ilyen folyamat fejlesztése vagy továbbfejlesztése?

A legutóbbi példával körülbelül hat hónapja foglalkozom. Ez valóban egy meglehetősen összetett folyamat. Először ötleteket kell kifejleszteni és megtervezni. Ezután megrendeljük a komponenseket, amelyek szállítása gyakran három-négy hónapot vesz igénybe. Ezután a részeket esetleg még a műhelyünknek kell igazítania, mielőtt összeszerelésre kerülnek. Miután a működőképességet normál üzemmódban teszteltük, a részeket végül beépítjük az implantálóba, hogy ellenőrizzük, minden ultranagy vákuumban is működik-e. Az ionimplantáció mindig nagyon magas vákuumban történik, tehát nagyon alacsony nyomáson.

A félvezetők dopolásához, azaz ahhoz a folyamatához, amikor idegen atomokat juttatnak be a félvezetőbe a vezetőképesség szabályozására, az ionimplantáció központi szerepet tölt be. Korábban ez hőkezelési vagy diffúziós folyamatokkal történt. Ez a módszer azonban nagyon érzékeny a felületi szennyeződésekre. Miért terjedt el az ionimplantáció, mint módszer, és milyen előnyei vannak?

A implantáció egy szabványos technika, amely lehetővé tette, hogy a szilíciumtechnológia fejlődjön, mert az ionok bejuttatása már nem függ a felület állapotától. Nem számít, hogy a felületen minimális szennyeződések vannak-e vagy sem. A részecskéket úgy gyorsítják, és viszonylag magas energiával lövik a felületre, hogy az rétegeken egyenletesen át tudnak hatolni. Ezért az ionimplantáció eredményessége ilyen magas. Az ionimplantáció lehetővé tette a híres robbanásszerű növekedést a darabszám és az integrációs fok tekintetében is. Ez volt az egyik feltétele annak, hogy a jelenleg elérhető, magas integráltságú áramköröket egyáltalán gyárthassuk.

A választott ionok tehát attól függnek, hogy milyen anyagot használnak?

Igen, ez mindig az anyagtól és attól függ, hogy ügyfeleink vagy az intézet kollégái milyen feladatokat adnak nekünk. Az ionok típusát, energiáját vagy dózisát az anyaghoz kell igazítani. Ez azt jelenti, hogy a kollégák megmondják, milyen rétegszerkezetet szeretnének, és én ezt szimulálom. Ehhez léteznek bevált szoftveres eszközök. Egy összetettebb epitaxissel két-három órát vesz igénybe a programozás. Ezután különböző energiákat és behatolási mélységeket szimulálunk. Azt mondanám, egy normál feladat feldolgozása körülbelül fél napot vesz igénybe. Talán egy napot is. Összességében ez nem varázslat.

Előrejelzés: Az ionimplantáció mellett Dr. Andreas Thies-szel a galvanizálásról és ennek a folyamatnak a félvezetőgyártásban betöltött szerepéről is beszélgettünk. Erről bővebben a FMD.insight második részében olvashat.