Способ ионной имплантации

(51) 5 Н О 1 3 37/3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИй АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ий инсти ком поли .И Яиро енные цлазпособие, М.: 1976. техни- радиаци- едназнаических,со он и лектриантации.(71) Научно-исследовательстут ядерной физики при Томтехническом институте им.(56) Дороднов А.И. Промышлменные установки. УчебноеИзд-во МВТУ им.Баумана.Патент США В 4267014,кл. Н 01 Ь 21/265, 1981, (54) СПОСОБ ИОЙНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ(57) Изобретение относится кческой физике, в частности конному материаловедению, и прчено для улучшения электрофихимических и механических свповерхности иэделий из металлсплавов, полупроводников, диков и др, методом ионной импл Целью изобретения является увеличение концентрации имплаитируемой примеси в любом материале, которая в этом случае определяется дозой имш" лантированных ионов. Для этого в предлагаемом способе наряду с процес сом .имплантации ускоренных ионов (УИ) в материал образца создают поток нейтральных атомов нли ионов (час" тиц) (Ч) с энергией 1-100 эВ и облуча.ют поверхность образца.Ч двумя пото- ками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток 4 формируют равным потоку распыляеех под действием УИ атомов поверхностй образца, или многократно.и поочередно ф с процессом имплантации, йри этой в одном цикле доза облучения УИ долана быть меньше значения, когда толщина распыленного слоя сравнииас срвдним проецированным пробегом УИ в образце, а доза Ч равна числу распыленных ать" ф мов образца с единичной поверяностазеле ф лы 2 илеИзобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических,химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектрикови дрЦелью изобретения является увеличе 1 Оние концентрации имплантируемой примеси в образце,В способе ионной имплантации длякомпенсации эффекта распыления допол-нительно создают поток нейтральных 15атомов ыи ионов (частиц) с энергиями частиц 10 -10 эВ. При этом дляполучения потока частиц используют,один из способов: термический, пучково-плазменный, лазерный, злектрораэрядный и др. Выбор уровня энергийчастиц 10 -10 эВ связан с тем, чтопри таких энергиях основным процессомявляется осаждение (напыление) частипна поверхноети материала, При энергии 25частиц Е10. эВ адгезионные свойстванапыляемой пленки оказываются. оченьплохими. При энергиях частиц Е 710. эВнаряду с осаждением существенным становится распыление материала, которое 30становится превалирующим при энергияхчастиц Е10 эВ. В первом случае первоначально создаст плазму, затем из нее извлекают и ускоряют ионы до энергии ЭОкэВ З 5 Затем осуществляют облучение ускоренными ионами поверхности образца. В процессе имплантации происходит накопление концентрации примеси в об" 1 разце и одновременное, распыление поверхностного слоя материала. Толщина распыленного слоя Й рассчитывается но значению скорости распыления Б для дозы ионов 0 следующим образом:45щ )ЯИгде И - атомная плотность веществаобразцаЧередование процессов имплантации ускоренных ионов и напыления атомов до восстановления первоначальной границы позволяет увеличить кондентрацню примеси в образце. Причем эффект увеличения концентрации примеси будет .существенным, если за один цикл имплантации толщина распыленного уско-.ренными ионами материала не будет превышать Кр - среднего проецированного пробега ионов в образце, т.е. когда максимум концентрации еще находится ие на поверхности вещества, а на определенной глубине. Чем меньше распыляемая за один цикл облучения толщина материала, тем большая концентрация примеси в материале достигается.Таким образом, в одном цикле облучения ускоренными ионами доза Й выбирается в соответствии с соотношениемКф ЙОс -БПосле имплантации осуществляют процесс, осаядения (напыления) кейтральных атомов или ионов на образец до восстановлечия первоначальной границы вещества. Учитывая, что за время имплантации ускоренных ионов с единичной поверхности было распылено 0 Я атомов вещества, образец облучают дозой частиц, равнойтПоочередные процессы имплантации и напыления осуществляют до получения необходимой концентрации примеси в образце. Максимальная концентрация прн этом достигается не на поверхности образца, а на глубине, соответствующей среднему проецированному пробегу ионовВо втором варианте способа процесс облучения образца ускоренными ионами и частицами осуществляют одновременно. Для того, чтобы граничвая поверхность образца оставалась неизменной и соответственно ионы накапливались на глубине, соответствующей их среД- нему пробегу в материале, поток частиц формируют равным потоку распыляемых под действием ускоренных ионов атомов поверхности образца, Процесс внедрения ионов осуществля:;т также до получения необходимой концентрации примеси. При этом максимальная концентрация внедрения примеси оценивается соотношением 13МОс "Я 1которое получено без учета эффекта распыления материала мишени ускоренными ионами в процессе имплантации. Из последнего соотношениявидно, что при выполнении условий предлагаемого способа имплантации концентрация примеси прямо пропорциональна дозе внедренной примеси и при больших доПри подаче от блока синхронизации7 запускающего импульса на источники питания 6 и 8 импульсных трансформаторов 5 и 9 последние формируют импульсы напряжений, подаваемые к источнику. Под действием импульсного напряпробой промежутка катод 10 " поджигающий электрод 12 по поверхности дйэлектрического кольца 11, В результате дугового пробоя формируется плазма, которая, расширяясь, обеспечивает возникновение дугового разрядамежду анодом 4 и катодом 10. Питаниедуги обеспечинает импульсный трансосновного дугового разряда плазмапоступает в ускоряющий зазор междуускоряющим электродом 1 и анодом 4. возможчость реализации предлагаемого способа за счет многократного и поочередного проведения облучения оби соответственно на образец 2 подаютускоряющее напряжение, В процессе облучения, например, образца СаАз.на;бирают дозу Р ионов внедряемой примеси, определяемую в данном случаекак Э=6 2510 1.Е Е- (8 К Б)8 ) где 1 - ток пучка ионов;Т - длительность импульса тока;1 - частота следования импульсов.Из литературных данных или дополнительного эксперимента определяют коэффициент распыления материала выбранного образца СаАз ионами данного сорта (например, В). При ускоряющем напряжении 0=60 кВ в выбранном случае 3=3, После набора определенной дозы, например 0=101 ф ион/сма (-д- -)Яа 510 см-ф ) ) отключается ускоряющее напряжение и заменяется материал ка тода на СаАе Затем источник с катодом иэ СаАз включается без ускоряющего напряжения. При этом на поверх 3 14 12517 41 19зах Р1( - 1(1 ионем существенно электрод 12, источник 13 ионов ипреннпиает предел концентрации, полу- источник 14 нейтральных частиц,.чаемый обычными методами. Устройство работает следующим об"В случае, если н процессе облуче разом,ния образца ускренными ионами и частицами не соблюдается равенство потоков или н другом варианте способа невыполняются условия на дозу ионов идозу частиц, то это приводит к уменьшению максимальной концентрации примеси. жения трансформатора 9 происходитТак, напримересли поток частицв случае одновременного облучениябудет меньше потока распыляемых поддействием ускоренных ионов атомоввещества, то будет происходить постепенное (хотя и с меньшей скоростью)распыление материала и граничная поверхность вещества будет приближаться 20в глубине соответствующей К,).В этом форматор 5, формируемая н результатеслучае максимальная концентрация будет превышать И, достигаемую обычным способом имплантации, но ее значение ограничивается величиной поверх 25 Ускоряющее напряжение задается источностной концентрации, когда толщина ником 3, Ускоряемые из плазмы ионыраспыленного слоя достигнет К. после прохождения диода попадают наЕсли поток частиц превышает по- образец 2. Устройство обеспечиваетток распыляемых атомов вещества, тобудет наблюдаться движение границыоблучаемого вещества в другую сторону (превалирует напыление). Это при" разца ускоренными ионами и потокомведет к тому, что из-эа постоянствачастиц. Первоначально на электродК область максимальной концентрациибудет постепенно перемещаться соскоростью, соответствующей скорости35роста напыляемой пленки, и хотя общее количество внедренных ускоренныхионов будет возрастать пропорционально дозе, уровень максимальной концентрации будет ограничен скоростьюперемещения поверхности.Пример реализации способа ионнойимплантации дан с использованием вакуумно-дугового частотно-импульсногоисточника ионов, схематическое изображение которого приведено на чертеже, где на фиг,1 изображена схемаустройства) реализующего предлагаемый50. способ по первому варианту; на фиг.2 то же, по второму варианту.Устройство содержит ускоряющийэлектрод 1, образец 2, высоковольтныйисточник 3 ускоряющего напряжения,анод 4, импульсный трансформатор 5,источник питания 6, блок синхронизации 7, источник питания 8) импульсныйтрансформатор 9, катод 1 О, диэлектрическое кольцо 1 1, поджигающий1 Ь 121 12 ср 5ность образца Осаждаются ионы из плазмы разряда. Если не используются дополнительные системы ускорения, то энергия ионов плазмы в этом случае удовлетворяет условию Е; =1-100 эВ,После измерения концентрации плаз-мы, генерируемой в разряде СаАв катодом, процесс осаждения пленки производят до набора дозы 100 = 3 0 = 3 104 ион/см. После этого процесса имплантации н осаждения ионов многократно повторяют до получения необходимой концентрации В. в СаАз, 15Зкспрессность метода может быть существенно увеличена при использовании источника, обеспечивающего возможность генерации пооков плазмы различных элементов без нарушения ва куума, Для напыления может использоваться поток частиц как соответствующий стехиометрическому составу образца, так и отличакщийся от него. В случае, когда. поток частиц не соот ветствует стехиометрическому составу, его величина определяется с учетом коэффициента распыления материала напыляемой пленки ускоренными ионами. Так, например, при облучении СаАз по- ЗО током нейтральных атомов или ионов И коэф 4 пщиент распыления пленки А 1 бучет Меньше чем СЙАБ, и в этОм случае должна использоваться 8 для А 1. Fрч энергии ионов В; - Е60 кэВ,Зо втором случае поток ускоренных ионов формируют в источнике 13, а т:,.-Ок нейтральных атомов или ионов в источнике 14. Оба потока направляют .":; Образец 2. В соответствии с выб- . 40 рзчньв режимом имплантации (эйергия н сорт ускоренныхионов) и коэффициентом распыления материала образца ггутем регулирования тока пучка ускоренных ионов или потока частиц доби б ваются выполнения условия равенстваотоков частиц и распыляемых атомов. Так, например, при имплантации ионов В с энергией 60 кэВ в СаАв источник атомов должен обеспечить поток атомов 50 или ионов, равный где 1. - плотность тока ускоренных1ИОНОВ;е - заряд электрона.Прн 1; =10 мкА/см ф 1,9 1 О атом/ /с см.Таким образом, использование,иэоб" ретения позволит существенно увеличить уровень концентрации примеси в любом материале. Величина концентРации в этом случае определяется дозой имплантируемых ионов н превышает в 10-1000 раз концентрации, получаемые в настоящее время в различных материалах. Формула изобретения 1. Способ ионной имплантации веще" ства путем генерации плазмы, последу ющего ускорения ионов, облучения ускоренными ионами поверхности Образца и напыления атомов вещества подложки, о т л и ч а ю щ н й с я тем, что, с целью увеличения концентрации нмплантируемой примеси в образце, напыление проводят потоком нейтральных атомов или ионов с энергиями частиц 1-100 ЭВ и многократно и поочередно проводят облучение образца ускоренны- .Ку Ими иовами дозой Р - и частицамиБ дозой 0 0 Б,3где К - средний проецированный пробег ускоренного иона в образце;Б - коэФфициент распыления поверхностного слоя образца;И - атомная плотность веществаобразца. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что напыление н процесс облучения осуществляют одновременно, причем поток нейтральных ато" мов или ионов формируют равным по плотности потоку распыляемых под действием ускоренных ионов атомов образца.