Казалось бы, теперь, используя совместно Таблицы 3 и 5, можно решить задачу подбора альтернативной методики (или группы методик, применяемых совместно) соответственно научной проблематике. Однако в действительности ситуация и сложнее, и богаче возможностями. Дело в том, что в Таблице 3 плюсами отмечены физэффекты, влияющие на результат исследования, а это влияние может быть очень неоднозначно, в одних случаях физэффект мешает достижению цели, в других - помогает, в некоторых случаях его наличие совершенно безразлично, а иногда физэффект вообще становится основным предметом исследования. Кроме того, из 12 физэффектов можно составить столько комбинаций, что совершенно очевидна почти нулевая вероятность полного совпадения соответствующих комбинаций хотя бы для одной пары строк в Таблицах 3 и 5. Ну и, наконец, вовсе необязательно точно воспроизводить весь комплект эффектов, работающих в данной задаче при решении ее имплантационными средствами, можно ведь не воспроизвести, а улучшить условия эксперимента, устранив вредные, мешающие эффекты и/или усилив полезные. Таким образом, в каждом конкретном случае задача поиска альтернатив должна решаться самостоятельно с учетом множества факторов, не вошедших в Таблицы 3 и 5 (хотя для ориентировки эти Таблицы безусловно полезны).
В заключение этого раздела перечислим основные физические ограничения, лимитирующие возможности ионной имплантации (эти возможности были названы в начале раздела), и те альтернативные процессы, в которых эти ограничения отсутствуют или выражены в меньшей степени (альтернативы обозначены индексами в скобках):
1. Возможность вводить любую примесь иногда ограничена свойствами рабочего вещества ионного источника:
а) слишком высокая рабочая температура (2.1.1, 2.1.2, 2.1.4, 2.3.1, 2.3.2 в совокупности с 4.1 или 4.2),
б) химическая или температурная нестойкость (2.1.4, 2.3.1, 2.3.2 в совокупности с 4.1 или 4.2),
в) чрезмерная токсичность (2.3.1, 2.3.4),
г) коррозионная активность (2.1.4, 2.3.4, 2.3.5).
2. Возможность легировать любой материал в действительности означает только возможность ввести, внедрить атомы легирующего вещества внутрь объема мишени. Если понятие “легирование” означает еще и вполне определенное положение в кристаллической решетке мишени, то здесь возможности ионной имплантации во многих случаях не намного больше, чем, например, диффузии (3А(1-3)В(1-4)С(1-2)).
Другое ограничение - радиационная стойкость материала мишени. Условия облучения таковы, что декомпозиция сложных материалов имеет место при имплантации почти всегда (из-за преимущественного испарения или распыления какой-либо компоненты химического соединения) (2.1, 2.3.3, 2.3.1, 2.3.2 совместно с 4.1 или 4.2).
3. Возможность вводить примесь в любой концентрации ограничена сверху коэффициентом распыления kp слоя. Максимальная поверхностная концентрация, достижимая при ионной имплантации, равна Cmax=1/kp (при kp>1). Для ионов, масса которых не меньше массы атома мишени, kp >1 при обычных режимах имплантации (2.1 совместно с 4.1 или 4.2).
Кроме того, примесь, введенная сверх предела растворимости, при отжиге дефектов, как правило, выделяется в виде преципитатов другой фазы (3АХВ(2-3)С(1-2)).
4. Низкие температуры легирования (именно они декларировались как важное преимущество метода) характерны только для таких систем, где состояние кристаллической решетки несущественно. Если же нарушенную решетку нужно восстановить после имплантации, то выигрыш в температуре по сравнению, например, с диффузионным легированием становится существенно скромнее (например, в кремнии диффузию ведут при 1000-1150С, отжиг имплантационных слоев - при 600-800С, а в некоторых случаях и до 1100С, “горячую” имплантацию без последующего отжига - при 400-600С) (3АХВ(1-4)С(1-2)).
5. Преимущество технической чистоты легирующих веществ только изредка омрачается необходимостью осушки вещества либо устранения из него легко ионизующихся посторонних примесей (2.3.1. совместно с 4).
6. Изотопная чистота ионного пучка отнюдь не означает изотопной же чистоты легирования. Перераспыление деталей имплантационной установки быстрыми ионами и неконтролируемое вбивание этого распыленного вещества в легированный слой в некоторых случаях (особенно в полупроводниковых применениях) существенно портит свойства слоя, в результате требуются довольно сложные ухищрения, чтобы исключить возможность попадания на легируемую поверхность посторонних веществ (в том числе, в частности, и адсорбции паров вакуумного масла).
7. Локальность легирования при имплантации обеспечивается механическим маскированием либо накладными трафаретами-масками, либо фото литографически. Геометрические пределы и точности накладывают те же ограничения, что и в альтернативных технологиях, однако, здесь дополнительная неприятность связана с вбиванием материала маски в легированный слой (1.2.3).
8. Малая толщина легированного слоя хороша в микроэлектронике, но отнюдь не является достоинством в металлургических применениях (2 совместно с 3 или 4).
9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине. Расчетные градиенты (по распределению пробегов ионов) реально никогда не получаются из-за размытия профиля, обусловленного радиационным стимулированием диффузии примеси (поэтому, кстати, ни одна попытка получить имплантационный туннельный диод не увенчалась даже намеком на успех) (1.1.3).
10. Легкость контроля и автоматизации процесса во многих установках используется, но до идеала - полностью автоматизированной технологической линии - еще далеко (2.2).
4. Ионная имплантация и промышленность
В списке Таблицы 4 процесс 1.2.1 (ионная имплантация) - один из самых дорогостоящих. Поэтому при переходе от лабораторного к промышленному масштабу применения проблема поиска и выбора альтернативных технологий становится куда более важной. Тем более что к списку альтернативных методик, приведенному в Таблице 4, здесь добавится целый ряд чисто металлургических технологий, хорошо отработанных, производительных и гораздо более дешевых.
Какие из успехов физики ионной имплантации уже “дозрели” до промышленного внедрения? Их довольно много, часть процессов благополучно освоена промышленностью (прежде всего это относится к технологии полупроводниковых приборов), но значительно большая часть после демонстрации заметных физических преимуществ имплантации “забуксовала” именно на стадии масштабирования процесса, когда решающее слово - за экономическим расчетом.
Современное имплантационное оборудование (даже промышленного назначения) было ориентировано в основном на потребности микроэлектроники и обеспечивало фактически только режим малых доз. Переход к большим дозам имплантационной металлургии требует эффективнее использовать и рабочий ионный пучок, и время работы установки, и вспомогательные ресурсы (воду, электроэнергию, рабочее вещество), и автоматизацию, причем все это - на фоне увеличения ионного тока на 3-6 порядков. Такие задачи непосильны для существующего оборудования, поэтому во всем мире одновременно с модификацией импланторов (так называют установки для имплантационного легирования) идет поиск альтернативных процессов и технологического оборудования (что находит свое отражение даже в названиях конференций и школ, когда одновременно аудитории предлагается обсуждение вакуумной, электронной и ионной технологий).
Конкретные требования к технологии и оборудованию фактически определяются тремя факторами: поверхностной дозой легирования (ат/см2), производительностью технологического участка (м2/час) и допустимой стоимостью обработки единицы площади (руб/м2, или, во исключение инфляционных поправок, в $US/м2). Чтобы ориентироваться в этих величинах, проведем сравнение различных технологий при дозах 1014 и 1017 ион/см2. Максимальная из этих величин приблизительно соответствует задачам имплантационной металлургии, минимальная - задачам микроэлектроники. Варьирование производительности единицы оборудования очень существенно, т.к. полностью меняет облик установок, их структуру и относительный приоритет функциональных возможностей, а вследствие этого и результирующую стоимость как оборудования, так и технологии.
В Таблице 6 приведены результаты сравнения стоимостных характеристик различных технологий. Сравнение сугубо ориентировочное, т.к. многое зависит от конкретных задач и конкретных возможностей реализации технологии. К примеру, для повышения коррозионной стойкости некоторых материалов иногда применяют палладирование поверхностного слоя толщиной < 1 мкм. Если эту операцию осуществлять на имплантационной установке с ионным источником нильсеновского типа, где ионный ток на линию Pd+ не превышает 0.3 мкА, то для набора дозы 1017 ион/см2 необходимо весь этот пучок сосредоточить на площади в 1 см2 в течение 20000 секунд, т.е. 5.4 часа. Производительность операции оказывается недопустимо низкой (< 0.00002 м2/час), стоимость будет астрономической. Для более мощной установки с ионным источником типа “калютрон”, где ток на линию Pd+ достигает 100 мкА, производительность составит уже 0.006 м2/час, стоимость обработки одного м2 уменьшится, но все равно только до ~1500 $US/м2. Если учесть неполноту использования ионного тока (из-за граничных эффектов, сложной формы обрабатываемой поверхности, и т.п.), то эти значения могут ухудшиться в 3-20 раз.
Другой пример - азотирование поверхности деталей. Здесь ионный ток в 30-100 раз выше, чем на Pd; соответственно, во столько же раз лучше и экономические показатели процесса. Однако и в том, и в другом случае ни производительность (~2*10-5 и 0.5-2*10-3 м2/час), ни стоимость (1500 и 15 $US/м2) не соответствуют обычным масштабам машиностроительных производств. Беглый анализ Таблицы 6 показывает, что для каждой из названных задач (палладирование и азотирование субмикронного слоя) можно выбрать не менее десятка альтернативных технологий, стоимость и производительность которых существенно лучше, чем для имплантации с масс-сепарацией. Например, если палладирование осуществлять двух стадийным процессом 2.3.1 и 3А1В3С1, то получим производительность до 100 м2/час при стоимости обработки 0.2-0.3 $US/м2. Для азотирования вполне технологичны 1.1.1 (для тех материалов, которые не боятся нагрева) или 1.1.2. В последнем случае можно применять ионные источники, дающие рабочий ионный ток в десятки ампер, что позволяет обеспечить производительность в сотни м2/час и стоимость обработки <0.02 $US/м2.