Последние тридцать лет микроэлектронная промышленность всего мира развивается благодаря имплантерным технологиям – они позволяют внедрять в поверхность кремниевой пластины легирующие добавки различных примесей (бора, фтора, мышьяка), создавая тем самым структуры с заданными характеристиками. Установки для реализации подобной технологии называются «ионные имплантеры», а одним из основных их элементов являются ионные источники, образующие легирующие потоки ионов требуемой энергии.
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали прототип каспового, то есть имеющего остроконечную структуру магнитного поля, ионного источника. Первые эксперименты показали, что устройство действительно позволяет работать с ленточными ионными пучками любой ширины, что обеспечивает качественное нанесение примесей, и подходит для создания сильноточных имплантеров необходимых в микроэлектронике.
ИЯФ СО РАН имеет большой опыт в создании различных ионных источников, которые в свое время разрабатывались и создавались в Институте для полупроводниковой промышленности, а также для экспериментов в области физики плазмы, и для развития методов ускорительной масс-спектрометрии. Например, в 90-е г. XX в. в ИЯФ разрабатывали целую линейку протонных источников по заказу Министерства электронной промышленности. Именно с ионных источников, созданных в Институте для экспериментов в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, в России началось развитие метода ускорительной масс-спектрометрии (УМС), благодаря которому сегодня с высокой точностью производится датировка археологических и геологических объектов. Ионный источник для первого УМС, проектом которого занимался главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик РАН Василий Пархомчук, разрабатывался ведущим научным сотрудником ИЯФ СО РАН кандидатом физико-математических наук Сергеем Константиновым – создание такого устройства потребовало больших усилий. В физике плазмы ионные источники необходимы для нагрева и диагностики ионизированного газа.
В 2024 г. в ИЯФ СО РАН была создана молодежная лаборатория имплантерных ионных источников, как раз для того, чтобы, объединив специалистов, работающих в области физики плазмы, ускорительной физики, а также силовой электроники, развивать имплантерные технологии в Институте. Имплантерные ионные источники ИЯФ СО РАН будут использоваться для развития современных отечественных ионных имплантеров, первые проекты которых уже реализуются в коллаборации с предприятиями Зеленограда (АО «НИИТМ» и АО «НИИМЭ»).
«Со стороны АО НИИТМ поступило предложение разработать и изучить касповый ионный источник, который может создавать ленточные пучки шириной вплоть до двух метров и не требует внешнего магнитного поля, – прокомментировал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Константинов. – Ленточные пучки тяжелых ионов имеют преимущества перед круглыми пучками, обеспечивая в разы более высокий предел объемного заряда, что необходимо для сильноточных имплантеров. Также они обеспечивают точное легирование путем механического сканирования подложки ионным пучком в одном измерении».
В настоящее время в имплантерах используются ионные источники Фримана и Бернаса. Они работают в магнитном поле, создаваемом внешним магнитом, вес которого растет в кубической зависимости от ширины ленточного пучка и может достигать многих сотен килограммов. Расположение такой конструкции под потенциалом в сотни киловольт и даже мегавольта становится весьма проблематичным. Идея создать конструкцию ленточного источника ионов, сочетающую в себе модифицированную ловушку Пеннинга с системой магнитного удержания, которая позволяет расширить пучок до нескольких метров, сохраняя линейную плотность тока около 10 мА/см, показалась специалистам ИЯФ СО РАН привлекательной, и они приступили к выполнению задачи.
«Поскольку описание такого источника было представлено только одной лабораторией и не было подтверждения в печати другими авторами его работоспособности, а идея выглядела весьма привлекательной, в феврале 2024 г. мы начали проектирование, изготовление и исследование такого источника с шириной эмиссионной щели 5 см, – добавил Сергей Константинов. – Была также спроектирована и изготовлена ионно-оптическая система для формирования ленточного пучка».
По словам специалиста, первоначально их интересовало, может ли такой источник обеспечить равномерную эмиссию, то есть равномерное испускание электронов с поверхности твердого тела при его бомбардировке ионами, вдоль эмиссионной щели.
«Для такого измерения мы разработали и изготовили измерительное устройство, профилометр, и 2 декабря 2024 г. провели измерение с пучком ионов аргона. При этом были исследованы различные режимы работы источника, – пояснил Сергей Константинов. – Получен прекрасный результат: эмиссия вдоль щели равномерна, и это открывает возможность разработки такого источника с любой шириной ленточного пучка. Отмечу, что в экспериментах мы не стремились получить максимально возможный ионный ток, но уже сейчас он выдает ~ 20 мА при извлекающем потенциале 6 кВ, что вполне приемлемо. Направление дальнейшей разработки каспового источника зависит от конкретных требуемых параметров ионного пучка. В высоковольтных имплантерах, таких как разрабатываются в ИЯФ, то есть с энергией ионов ~ 1 Мэв, разработанный тип источника предпочтителен, когда не требуется предельно большой ток ионов, (который при такой энергии может разрушить кремниевую пластину), и применения внешнего магнита».