В течение последних трёх десятилетий микроэлектроника во всём мире активно развивается благодаря использованию технологий имплантации. Они позволяют внедрять в поверхность кремниевых пластин легирующие элементы, такие как бор, фтор и мышьяк, создавая структуры с заданными свойствами.
Для реализации этой технологии используются специальные устройства — ионные имплантеры. Одним из ключевых компонентов таких устройств являются ионные источники, которые генерируют потоки ионов с необходимой энергией.
Специалисты Института ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) создали прототип ионного источника с остроконечной структурой магнитного поля, который получил название «касповый».
Первые тесты показали, что устройство способно работать с ленточными ионными пучками любой ширины. Это открывает новые возможности для качественного нанесения примесей и создания сильноточных имплантеров, необходимых в микроэлектронике.
ИЯФ СО РАН имеет богатый опыт в разработке различных ионных источников. Некоторые из них были созданы для полупроводниковой промышленности и экспериментов в области физики плазмы. Также Институт активно развивал методы ускорительной масс-спектрометрии.
В 1990-е годы ИЯФ разрабатывал линейку протонных источников по заказу Министерства электронной промышленности. Именно с этих источников началась история развития метода ускорительной масс-спектрометрии (УМС) в России. Благодаря этому методу сегодня можно с высокой точностью датировать археологические и геологические объекты.
Создание ионного источника для экспериментов в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, разработанного в ИЯФ, стало отправной точкой для развития метода ускорительной масс-спектрометрии. Этот метод позволяет с высокой точностью производить датирование археологических и геологических объектов.
В 2024 году в ИЯФ СО РАН была создана молодёжная лаборатория имплантерных ионных источников. Её цель — объединить специалистов в области физики плазмы, ускорительной физики и силовой электроники для развития имплантерных технологий в Институте.
Разработанные в ИЯФ СО РАН имплантерные ионные источники будут использоваться для развития современных отечественных ионных имплантеров. Первые проекты уже реализуются в сотрудничестве с предприятиями Зеленограда, такими как АО «НИИТМ» и АО «НИИМЭ».
«АО «НИИТМ» предложило разработать и изучить касповый ионный источник, который может создавать ленточные пучки шириной до двух метров без использования внешнего магнитного поля, — комментирует ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Константинов. — Ленточные пучки тяжёлых ионов имеют ряд преимуществ перед круглыми пучками, обеспечивая более высокий предел объёмного заряда, что необходимо для сильноточных имплантеров. Также они позволяют точно легировать подложку путём механического сканирования 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 растёт в кубической зависимости от ширины ленточного пучка и может достигать сотен килограммов. Расположение такой конструкции под потенциалом в сотни киловольт или даже мегавольт становится сложной задачей.
Специалисты ИЯФ СО РАН предложили создать конструкцию ленточного источника ионов, которая сочетает в себе модифицированную ловушку Пеннинга с системой магнитного удержания, позволяющей расширить пучок до нескольких метров при сохранении линейной плотности тока около 10 мА/см. Эта идея показалась им привлекательной, и они приступили к работе.
«Поскольку описание такого источника было представлено только одной лабораторией и не было подтверждено другими авторами, а идея выглядела многообещающей, в феврале 2024 года мы начали проектирование, изготовление и исследование такого источника с шириной эмиссионной щели 5 см, — рассказывает Сергей Константинов. — Также была 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 твёрдого тела при его бомбардировке ионами вдоль эмиссионной щели.
«Для этого мы разработали и изготовили измерительное устройство, профилометр, и 2 декабря 2024 года провели измерение с пучком ионов аргона, — говорит Сергей Константинов. — Были исследованы различные режимы работы источника».
Полученные результаты показали, что эмиссия вдоль щели равномерна, что открывает возможность разработки источника с любой шириной ленточного пучка.
«В экспериментах мы не стремились получить максимально возможный ионный ток, но уже сейчас он достигает 20 мА при извлекающем потенциале 6 кВ, что вполне приемлемо, — отмечает Сергей Константинов. — Направление дальнейшей разработки каспового источника зависит от конкретных требований к ионному пучку. В имплантерах с высоким напряжением, таких как разрабатываемые в ИЯФ, разработанный тип источника предпочтителен, когда не требуется предельно большой ток ионов, который может разрушить кремниевую пластину при такой энергии».
