SU1412517A1 - Способ ионной имплантации - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технической физике, в частности к радиаци- рииому материаловедению, и предназначено дл  улучшени  электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др. методом ионной имплантации. Целью изобретени   вл етс  увеличение концентрации имплантируемой примеси в любом материале, котора  в этом случае определ етс  дозой tmm лантированных ионов. Дл  этого в предлагаемом способе нар ду с процвс сом . имплантагщи ускоренных  оиов (УИ) в материал образца создают notok Нейтральных атомов или ионов (частиц ) (Ч) с энергией 1-100 эВ  облуча - ют поверхность образца Ч двумл поте- ками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток 4 формируют равным потоку распыш емш под действием УИ атомов поверхности образца, или многократно И поочередйо с процессом имплантации, йри этом в одном цикле доза облучени  3 должна быть меньше значени , когда толщина распыленного сло  сравнипассо средним проецированным пробегом УИ в образце, а доза Ч равна числу распыленных dto MOB образца с единичной поверхност  1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено дл  улучшени  электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов j полупроводников, диэлектриков и др.

Целью изобретени   вл етс  увеличе кие концентрации имплантируемой примеси в образце.

В способе ионной имплантации дл  компенсации эффекта распылени  дополнительно создают поток нейтральных атомов или ненов (частиц) с энерги ми частиц эВ. При этом дл  получени  потока частиц используют , один из способов; термический, пучко- во-плазменный, лазерный, электрораз- р дный и дро Выбор уровн  энергий частиц эВ св зан с тем, что при таких энерги х основным процессом  вл етс  осаждение (напыление) частии на поверхности материала. При энергии ; частиц эВ адгезионные свойства напыл емой пленкч оказываютс  очень плохими. При энерги х частиц эВ нар ду с осаждением существенным становитс  распьшение материала, которое становитс  прЕвалирующим при энерги х частиц Е 10 эВ,

В первом случае первоначально создают плазму, затем из нее извлекают и ускор ют ионы до энергии 30-200 кэВ Затем осуществл ют облучение ускоренными ионами поверхности образца. В процессе имплантации происходит накопление концентрации примеси в об- i

разце и одновременное, распыление

поверхностного сло  материала. Толщина распыленного сло  d рассчитываетс  по значению скорости распьшени 

S дл  дозы ионов D следующим образом:

d«|.D,

где N - атомна  плотность вещества

образца.

Чередование процессов имплантации ускоренных ионов и напылени  атомов до восстановлени  первоначальной границы позвол ет увеличить концентрацию примеси в образце. Причем эффект увеличени  концентрации принеси будет .существенным, если за один цшсп имплантации толщина распыленного уског ренными ионами материала не будет иревышать Rp - среднего проецированного пробе ионов в образце, т.е. когда макс1-шум концектращш еще находитс  на на поверхности вещества, а на определенной глубине. Чем меньше распьт ёма  за один цикл облучени  толщина материала, тем больша  концентраци  примеси в материале достигаетс .,

Таким образом, в одном цикле облучени  ускоренными ионами доза D выбираетс  в соответствии с соотношением

„.5 После имплантации осуществл ют процесс.осажденил (напьшени ) нейтральных атомов или ионов на образец до восстановлени  первоначальной границы вещества. Учитыва , что за врем  имплантации ускоренных ионов с

единичной поверхности было распылено D S атом1 в вещества, образец облегчают дозой частиц, равной

D,. D.S.

Поочередные процессы имплантации И напылени  осуществл ют до получени  необходимой концентрации примеси в образце. Максимальна  концентраци  при этом достигаетс  не на поверхности образца, а на глубине, соответствующей среднему проецированному пробегу конов.

Во втором варианте способа процесс облучени  образца ускоренными ионами и частицами осуществл ют одновременно . Дл  того, чтобы 1гранична  поверхность образца оставалась неизменной и соответственно ионы накапливались на глубине, соответствующей их среднему пробегу в материале, поток частиц формируют равным потоку распыл емых под действием ускоренных ионов атомов поверхности образца. Процесс внедрени  ионов осуществл гл- также до получени  необходимой концентрации примеси. При этом максимальна  концентраци  внедрени  npHX-secH оцениваетс  соотношением

N.

D . . .

. Mtc - , : которое получено без учета эффекта распылени  материала мишени ускоренными ионами в процессе имппантафш. Из последнего соотношени  видно, что при выполнении условий предлагаемого способа имплантации концентраци  примеси пр мо пропорциональна дозе внедренной примеси и при больших доIt ч9

пах D И) -И) ион/гм существенно преи(.1шлет ирелел концентрации, полу- .чаемый обычными методами.

В случае, если в процессе облу.че- ни  образца ускренными ионами и час- тицам 1 не соблюдаетс  равенство потоков или в другом варианту способа не выполн ютс  услови  на дозу ионов и дозу частиц, то это приводит к уменьшению максимальной концентрации при- меси.

Так, например, если поток частиц в случае одновременного облучени . будет меньше потока распыл емых под действием ускоренных ионов атомов вещества, то будет происходить постепенное (хот  I и с меньшей скоростью) распьшение материала и гранична  поверхность вещества будет приближатьс  в глубине соответствующей R.i.B этом случае максимальна  концентраци  будет превышать N, достигаемую обычным способом имплантации, но ее значение ограничиваетс  величиной поверх ностной концентрации, когда толщина распыленного сло  достигнет Rp.

Если поток частиц превышает поток распыл емых атомов вещества, то будет наблюдатьс  движение границы облучаемого вещества в другую сторону (превалирует напыление). Это приведет к тому, что из-за посто нства Кь область, максимальной концентрации будет постепенно перемещатьс  со скоростью, соответствующей скорости роста напыл емой пленки, и хот  об-п щее количество внедренных ускоренных ионов будет возрастать пропорционально дозе, уровень максимальной концентрации будет ограничен скоростью перемещени  поверхности.

Пример реализации способа ионной имплантации дан с использованием ва- куумно-дугового частотно-импульсного источника ионов, схематическое изоб ражение которого приведено на чертеже , где на фиг,1 изображена схема yctpoйcтвa, реализующего предлагаемый способ по первому варианту; на фиг.2- то же, по второму варианту.

Устройство содержит ускор к дий электрод 1, образец 2, высоковольтный источник 3 ускор ющего напр жени  ,анод А, импульсный трансформатор 5, источник питани  6, блок синхронизации 7, источник питани  8, импульсный трансформатор 9, катод 10, диэлектрическое кольцо 11, поджигающий

1

  х

/4125

10

ts

20

25

30

35

40

45

50

55

174

электрод 12, источник П ионов и

источник 14 нейтральных часттЩс

Устройство работает/следующим образом .

При подаче от блока синхронизации 7 запускающего импульса на источники питани  6 и 8 импульсных трансформаторов 5 и 9 последние формируют импульсы напр жений, подаваемые к источнику . Под действием импульсного напр жени  трансформатора 9 происходит пробой промежутка катод 10 - поджигающий электрод 12 по поверхности диэлектрического кольца 11. В результй- те дугового пробо  формируетс  плазма , котора , расшир  сь, обеспечивает возникновение дугового разр да между анодом А и катодом 10. Питание дуги обеспечивает импульсный трансформатор 5. Формируема  в результате основного дугового разр да плазма поступает в ускор ющий зазор между ускор ющим электродом 1 и анодом 4, Ускор к цее напр жение задаетс  источником 3. Ускор емые из плазмы ионы после прохождени  диода попадак т на образец 2. ycTpoiicTBo обеспечивает возможность реализации предлагаемого, способа за счет .многократного и поочередного проведени  облучени  образца ускоренными ионаьш и потоком частиц. Первоначально на электрод 1 и соответственно на образец 2 подают ускор ющее напр жение. В процессе облучени , например, образца СаАз-наг. бирают дозу D ионов внедр емой примеси , определ емую в данном случае как

,25.10 -I-r-fi-|, о

где I - ток пучка ионов;

t - длительность импульса тока; f - частота следовани  импульсов. Из литературных данных или дополнительного эксперимента определ ют коэффициент распылени  материала выбранного образца GaAs ионами данного сорта (например, Bi). При ускор ющем напр жении кВ в выбранном случае . После набора определенной дозы,

-,

.например ион/см () в .

О

«S5«10 см), отключаетс  ускор кщее напр жение и замен етс  материал ка тода на GaAs. Затем источник с катодом из GaAs включаетс  без ускор ющего напр жени . При этом на поверх51/

ность образца осаждаютс  ноны из плазмы разр да. ЕслЯ не используютс  дополнительные системы ускорени , то энерги  ионов плазмы в этом случае удовлетвор ет условию Е,« 1-100 эВ.

После измерени  концентрации плаз- мы, генерируемой в разр де GaAs катодом , процесс осаждени  пленки производ т до набора дозы

D, 3-D ЗПО ион/см. После .этого процесса имплантации и осаждени  ионов многократно повтор ют до получени  необходимой концентрации В.« в GaAs..

Экспрессйость метода может быть существенно увеличена при использовании источника, обеспечивающего возможность генерации потоков плазмы различньпс элементов без нарушени  ва- куума. Дл  напылени  может использоватьс  поток частиц как соответствующий стехиометрическому составу образца , так и отличакщийс  от него, В случае, когда поток частиц не соот- ветствует стехиометрическому составу, его величина определ етс  с учетом коэффициента распылени  материала напыл емой пленки ускоренными ионами. Так, например, при облучении GaAs по- током нейтральных атомов или ионов А1 коэффкЕ иент распылени  пленки А1 будет меньше,, чем GaAs, и в этом слу- ч&а должна использоватьс  S дл  А1 прч знергйи ионов В,- - Е 60 кэВ.

Во втором случае поток ускоренных ненов формируют в источнике 13, а li iCix мзйтральных атомов или ионов в источнике 14, Оба потока направл ют SvS образах 2. В соответствии с выб- ртнюн „ режимом имплантации (энерги  к сорт ускоренных ионов) и коэффициентом распылени  материала образца регулировани  тока пучка ускоренных ионов или потока частиц доби- даютс  выполнени  услови  равенства готоков частиц и распыл емых атомов Так, например, при имплантации ионов В с энергией 60 кэБ в GaAs источник атомов должен обеспечить поток атомов шга ионов, равный

Г/

  . .s,

где .1 . - плотность тока ускоренных

ионов;

е - зар д электрона. При J- 10 мкА/см i- 1,9 И) атом/ /,С см .

Таким образом, использование .изобретени  позволит существенно увели- чить уровень концентрации примеси в любом материале. Величина концентрации в этом случае определ етс  дозой имплантируемых ионов и превышает в 10-1000 раз концентрации, получаемые в насто щее врем  в различных материалах .

Claims (2)

1.Способ ионной имплантации вещества путем генерации плазмы, последу ющего ускорени  ионов, облучени  ускренными ионами поверхности образца и напылени  атомов вещества подложки, отличающийс  тем, что,

с целью увеличени  концентрации имплантируемой примеси в образце, напыление провод т потоком нейтральньк атомов или ионов с энерги ми частиц 1-100 эВ и многократно и поочередно провод т облучение образца ускоренными ионами дозой D и частицами

О

дозой S,

где RP - средний проецированный пробег ускоренного иона в образце;

S - коэффициент распьшени  по верхностного сло  образца; N - атомна  плотность вещества образца.

2.Способ по П.1, отличаю- щ и и с   тем, что напыление и процесс облучени  осуществл ют одновременно , причем поток нейтральных атомов или ионов формируют равньм по плотности потоку распыл емых под действием ускоренных ионов.атомов образца .

.2