Implantacja jonowa: <br>O metodzie, która zrewolucjonizowała produkcję półprzewodników

Implantacja jonowa jest kluczowa dla domieszkowania półprzewodników, czyli procesu wprowadzania obcych atomów do półprzewodnika. (Copyright: FBH | Matthias Baumbach)

Rozwój implantacji jonów w latach 60. był jednym z podstawowych warunków umożliwiających produkcję wysoce zintegrowanych układów scalonych, takich jak znamy je dzisiaj. Metoda ta jest stosowana do wprowadzania obcych atomów do półprzewodnika i w ten sposób np. zmiany jego przewodności (doping). W Instytucie Ferdinanda Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH), dr Andreas Thies, kierownik grupy roboczej „Backend”, zajmuje się m.in. pytaniem, jak można dalej ulepszać implantację jonów. Rozmawialiśmy z nim o jego codziennej pracy, wyzwaniach i innowacjach w procesie półprzewodnikowym.

Panie Thies, pracuje Pan w Leibniz FBH w dziale technologii procesów i kieruje tam grupą roboczą Backend. Jakie konkretne procesy Pan zajmuje się?

Nasza grupa robocza ma za zadanie wyprodukować pojedyncze elementy z elementów, które jeszcze znajdują się na pełnym waflu, czyli tzw. chipy. Po tym, jak chipy zostaną na przykład odcięte od wafla za pomocą piłowania lub lasera, muszą być one dalej przetwarzane pojedynczo. Ten krok oznacza przejście od frontendu do backendu. Podczas gdy na frontendzie wszystkie procesy odbywają się na waflu, w backendzie obrabia się pojedyncze chipy. Dodatkowo istnieją dwa obszary, które tradycyjnie należą do backendu: implantacja – nie jest to szczególnie czysta technologia – oraz galwanizacja.

Co oznacza „nie jest to szczególnie czysta” w tym kontekście?

Pracujemy w czystym pomieszczeniu, które jest absolutnie wolne od cząstek. Chociaż: słowo „absolutnie” jako uogólnienie nie jest do końca prawdziwe. Istnieją różne klasy cząstek, a w zależności od tego, w jakim czystym pomieszczeniu się pracuje i jak małe są struktury, które się wytwarza, trzeba przestrzegać różnych klas cząstek. Gdy w backendzie coś jest cięte lub rozdzielane, powstaje ścier, czyli małe cząstki. Przy określaniu, jak czyste jest pomieszczenie, chodzi o liczbę cząstek i ich rozmiar. W porównaniu z pomieszczeniem medycznym lub biologicznym, backend jest oczywiście nadal bardzo czysty. Kryteria jakości frontend są jednak jeszcze wyższe.

Przyjrzyjmy się teraz implantacji i Pańskiej codziennej pracy. Jakie zadania obecnie Pan realizuje i z jakimi wyzwaniami się Pan mierzy?

Obecnie pracujemy nad dalszym rozwojem naszej implantacji jonów. Klasycznie, implantator jonów to dość skomplikowane urządzenie. Nasz implanter wprowadza bardzo różne jony. Istnieje wiele parametrów, które można dostosować, aby kontrolować proces implantacji. Jednakże są też obszary, w których mamy ograniczenia, np. w zakresie napięcia przyspieszania. To napięcie jest odpowiedzialne za głębokość wnikania zaimplantowanych jonów w materiał. Nie wpływa ono tylko na głębokość penetracji, ale także na ich prędkość i energię, co z kolei ma wpływ na interakcje z materiałem. U nas napięcie maksymalnie wynosi 500 000 woltów. Wyższych napięć nie możemy ustawić, po pierwsze, ze względów ochrony radiologicznej, a po drugie, ze względu na ograniczenia przestrzenne naszego pomieszczenia do implantacji.

Na przykład, co możemy zrobić, aby celowo ustawić pożądane właściwości elektryczne, to implantować wiele różnych jonów. To jest istotna różnica w porównaniu z implantacją przemysłową. Zazwyczaj w zakładach przemysłowych używa się dziesiątek implantatorów jonów, z których każdy jest przeznaczony do konkretnego zadania. Jeden służy do implantacji fosforu, inny do arsenu lub antymonu. W odróżnieniu od przemysłu krzemowego, w FBH mamy jeden implanter, którym możemy i musimy implantować wszystko.

Partnerzy mogą do nas przychodzić z metalami, gazami lub cieczami – i my przekształcamy wszystko w fazę gazową. Najpierw jonizujemy substancje, następnie przyspieszamy jony i wystrzeliwujemy je w nasz element. Wiele właściwości materiałów, które w technologii krzemowej są ustawiane przez implantację, w technologii półprzewodników III/V osiąga się dzięki epitaksji. W tym celu w FBH istnieje własny dział technologii materiałowej, który produkuje specjalne warstwy. Te warstwy modyfikujemy potem tylko za pomocą implantacji jonów, na przykład lokalnie je niszcząc, co obniża ich przewodność.

Obecnie rozważamy również techniki, które pozwolą nam dalej rozwijać nasz implanter tak, aby mimo bardzo małych dawek można było przeprowadzić implantację. Dawkę zawsze wyraża się jako iloczyn czasu i natężenia prądu (liczby jonów wystrzeliwanych na materiał docelowy na sekundę). Gdy prądy stają się małe, trudno je zmierzyć. Gdy prąd osiągnie granicę wykrywalności, nie możemy go dalej zmniejszać, nawet jeśli chcemy zaimplantować tylko niewielką dawkę. Czas też nie może być dowolnie krótki. Potrzebujemy na to rozwiązania. Eksperymentowanie z nowymi pomysłami i podejściami sprawia mi dużą przyjemność i czyni moją pracę różnorodną.

Ile trwa poprawa lub dalszy rozwój takich procesów?

Ostatni przykład zajmuje mnie od około sześciu miesięcy. To rzeczywiście dość skomplikowany proces. Najpierw trzeba opracować i zaplanować pomysły. Następnie zamawia się komponenty, których dostawa często trwa od trzech do czterech miesięcy. Potem elementy mogą wymagać jeszcze dostosowania w naszym warsztacie, zanim zostaną złożone. Po przetestowaniu funkcjonalności w normalnej pracy, części są ostatecznie montowane w implanterze, aby sprawdzić, czy wszystko działa również w ultrawysokim próżniowym środowisku. Implantacja jonów zawsze odbywa się w bardzo wysokim próżni, czyli przy bardzo niskim ciśnieniu.

Implantacja jonów odgrywa kluczową rolę w dopingu półprzewodników, czyli wprowadzaniu obcych atomów do półprzewodnika w celu regulacji jego przewodności. Wcześniej odbywało się to metodą termiczną lub dyfuzji. Jednak ta metoda jest bardzo wrażliwa na zanieczyszczenia powierzchni. Dlaczego implantacja jonów zyskała przewagę i jakie ma zalety?

Implantacja jest techniką standardową, która uczyniła technologię krzemową możliwą, ponieważ wprowadzanie jonów nie zależy już od stanu powierzchni. Niezależnie od tego, czy na powierzchni są minimalne warstwy zanieczyszczeń, czy nie, nie ma to znaczenia. Cząstki są tak przyspieszane i wystrzeliwane z relatywnie wysoką energią, że mogą równomiernie przenikać warstwy. Dlatego wydajność implantacji jonów jest tak wysoka. Implantacja umożliwiła także słynną eksplozję wzrostu produkcji i poziomu integracji układów. To był jeden z warunków koniecznych do produkcji obecnie dostępnych, wysoko zintegrowanych układów scalonych.

Wybór jonów zależy więc od używanego materiału?

Tak, to zawsze zależy od materiału i od tego, jakie zadania nam zlecają nasi klienci lub koledzy z instytutu. Trzeba dostosować sposób implantacji – typ jonów, energię czy dawkę – do materiału. To znaczy, że koledzy informują mnie, jaki układ warstw chcą uzyskać i jakie chcieliby zmienić, a ja to symuluję. Do tego służą ustalone narzędzia programowe. Przy skomplikowanej epitaksji programowanie zajmuje dwa do trzech godzin. Potem symulowane są różne energie i głębokości. Powiedziałbym, że obsługa zwykłego zlecenia zajmuje około pół dnia. Czasami to nawet jeden dzień. Ogólnie nie jest to żadna czarna magia.

Perspektywa: oprócz implantacji jonów, rozmawialiśmy z dr. Andreasem Thiesem także o galwanizacji i znaczeniu tego procesu dla produkcji półprzewodników. Więcej na ten temat można przeczytać w drugiej części rozmowy na FMD.insight.