VAKUUMIST 20/3-4(2000) ISSN 0351-9716 ZGODOVINA IONSKE IMPLANTACIJE Stanislav Južnič* The History of Ion Implantation ABSTRACT The article reviews the history ol ion implantation. It concentrates on the time period from the invention ot (he ion implantation in 1905 until about 1978. when ion Implanters have come o( age. In the first part we describe the invention ot ion implantation and development until World War II. In the second part of the article we review the development of the use of ion implantation for transistor industry after the World War II. We present the use of ion implantation in semiconductor devices. Special concern is put on the use ot the ion implantation in metallurgy of recent times. Some details about the echo of research of ion implantation among Slovenes are also described. 1 Uvod Ionsko implantacijo (vcepljanje) prištevamo k ptazem-skim tehnologijam. Omogoča nadzorovano vgrajevanje nečistoč v podlago z električnim pospeševanjem izbranih ionov. Je povsem elektronski postopek, v katerem s pospeševalno napetostjo od nekaj kV do nekaj 100 kV spreminjamo energijo implantiranja in z njo globino vgrajevanja. Tok v obliki pulzov določa oddani naboj in z njim število implantiranih ionov (dozo). Doze segajo do 1016 ernes' in jih lahko kontroliramo med samim postopkom /1/. Osnovni sestavni deli implanterja so izvir ionov, masni separator in odklonski mehanizem s tarčo. Ionska im-plantacija ima prednost pred difuzijskimi postopki, ker ne onesnažuje okolja, je uporabna pri bistveno nižji temperaturi podlage (20 do 200 "C), masni separator pa omogoča implantacijo ionov enega samega elementa. Pomanjkljivosti postopka so, poleg razmeroma dragih naprav, tudi navadno nezaželene radiacijske poškodbe, ki spremenijo električne lastnosti podlage in jih lahko deloma odpravimo s poznejšim segrevanjem do visokih temperatur {kaljenje, pregrevanje). Dopiranje v večje globine je manj uspešno kot v tanke plasti pod površino. Med implantacijo in po njej dopirani ioni prodrejo v večje globine od predvidenih zaradi difuzije in drugih pojavov /2/. Ionska implantacija je omogočila polprevodniški tehnologiji razvoj, v katerem so se /im-razdalje iz šestdesetih let močno skrajšate na pragu novega tisočletja. čeprav se razvijajo tudi nove površinske tehnologije dopiranja za nadomestilo posameznih stopenj obdelave polprevodnikov, ima ionska implantacija še vedno prihodnost. Danes se uporablja tudi zunaj industrije integriranih vezij, kjer je skupni delež plazemskih tehnologij pri proizvodnji čipov okoli 30 % /3/. * Dr. Stanislav Južnič je profesor fizike in računalništva na srednji šoli v Kočevju. Leta 1980 je diplomiral iz tehnične fizike na Fakulteti za naravoslovje tn tehnologijo, magistriral leta 1984 iz zgodovine 'izike na Filozofski fakulteti v LJubljani, kjer je leta 1999 tudi doktonral. POVZETEK Opisujemo razvoj ionske imptantacije med iznajdbo leta 1905 in letom 1978, ko je ionska implantacija postala zrela oblika tehnologije. V prvem delu razprave obravnavamo odkntje ionske implantacije in njen razvoj do odkritja tranzistorja po drugi svetovni vojni. V drugem delu razprave opisujemo razvoj uporabe ionske implantacije v industriji tranzistorjev po koncu druge svetovne vojne Raziskujemo uporabo ionske implantacije za izdelavo polprevodniških naprav. Posebno pozorno obravnavamo njeno uporabo v sodobni metalurgiji. Z nekaj besedami orišemo tudi odmev ključnih odkritij na Slovenskem. Razvoj ionske implantacije je posebno zanimiv, ker so od "iznajdbe« do prve tehnološke uporabe minila nenavadno dolga štiri desetletja. Zamuda je v 20. stoletju primerljiva le Še z Einsteinovo teorijo stimuliranega sevanja iz let 1916-1917, ki jo prav tako ločijo Štiri desetletja od prvih maserjev in laserjev. Vendar je Einstein objavil le teorijo in ne izuma, podobnega Ruther-fordovi ionski implantaciji 121. 2 Prva raziskovanja prodiranja naelektre-nih delcev v trdno snov: Absorpcija »katodnih žarkov« v raziskavah Helmholtzovih učencev Prve raziskave prehajanja naelektrenih delcev skozi trdno snov so opravili v Nemčiji. Leta 1882 je Goldstein v Berlinu dokazal, da se »katodni žarki« difuzno odbijejo nazaj ob prehodu skozi svetlo tanko plast kovine. Devet let pozneje je Hertz v Bonnu nadaljeval raziskovanje sipanja »katodnih žarkov«. Opazil je, da jih kovina bolj prepušča od svetlobe. »Katodni žarki« so lahko prebili tanko plaši kovine, kar do tedaj znani žarki niso mogli. Del ploščice iz slekla, obogatene z uranovimi spojinami, je pokril s tanko plastjo zlata, drugi del pa s sljudo. Ploščico je postavil v katodno elektronko tako, da je bila proti katodi obrnjena stran pod Au. Opazil je luminescenco na delu stekla, prekritem z Au, ne pa tudi pod sljudo. Luminescence niso preprečile niti 2 ali 3 plasti Au-listov. Žarki so prodirali tudi skozi liste iz Ag, Al ter zlitin zlata ali srebra s Pb, Zn in Cu. Prav tako jih niso ustavile plasti Cu, Ag ali Pt, napršene v vakuumu po razelektritvi /4/. Meritve dosega in stpanja »katodnih žarkov« v trdnih snoveh je po Hertzovi smrti nadaljeval njegov asistent Lenard. Uporabljal je Al-liste debeline 2,65 ^m, preučeval pa je tudi Au. Ag, Cu, papir, steklo in sljudo. Pri vseh meritvah je bila absorpcija "katodnih žarkov« približno sorazmerna gostoti snovi. Leta 1898 je spuščal katodne žarke skozi Al-okno debeline 3 pm in premera 1,8 mm v vakuum s 30 mPa in tako opazoval prodiranje nabitih delcev skozi trdno snov/5/. I. DEL: ODKRITJE IONSKE IMPIANTACIJE 15 ISSN 0351-9716 Med poskusi s -katodnimi žarki« zunaj »Lenardove« elektronke po prehodu skozi tanke kovinske liste so v nekaj letih odkrili celo vrsto važnih pojavov, med njimi rentgenske žarke leta 1895 in kmalu za njimi Še elektron. Do srede 20. stoletja so se zanimali predvsem za lastnosti izstrelkov in manj za spremembe, ki jih njihov prelet ali implantacija povzroči v tarči. Izjema je bil prav Lenard, ki je za dolgoletno natančno merjenje absorpcije »katodnih žarkov- v različnih snoveh leta 1905 dobil Nobelovo nagrado iz fizike. Raziskovanje tarče in ne le izstrelkov je bil morda eden od vzrokov, da so mu »smetano« odkritij rentgenskih žarkov, elektrona in fotona pobrali drugi, čeprav je bil najpomembnejši strokovnjak za »katodne žarke« /6/. 3 Montreal in Pariz: Prva ionska implantacija, opazovana pri raziskovanju absorpcije žarkov a v snovi {1905-1906) Razvoj fizike na prehodu v 20. stoletje so zaznamovala razmišljanja o sestavi atoma in odkritja različnih žarkov in delcev. Med številnimi novostmi si je Rutherford konec 19. stoletja za svojo raziskovalno pot izbral žarke a.. V letih 1905 1906 jo v Montroalu raziskoval zmanj sevanje hitrosti žarkov pri prehodu skozi snov. Po letu 1909 je v Manchestru dokazoval, da so delci« He-ioni. Med letoma 1909 in 1914 je nizal poskuse za potrditev modela atoma z majhnim »središčnim nabojem«, ki ga je leto ali dve po odkritju imenoval »jedro«. Rutherfor-dovemu opisu absorpcije žarkov a je nasprotoval Bec-querel, modelu atoma pa Thomson, Oba nasprotnika sta dobila Nobelovi nagradi za fiziko, Rutherford pa je bil leta 1908 nagrajen za kemijo. Rutherfordov prijatelj Bragg z univerze Adelaide v Avstraliji je leta 1904 objavil teorijo absorpcije žarkov a in opisal njihovo območje lonizacije v zraku. V Brag-govem pismu istega leta se je Rutherford prvič seznanil z opisom »odprtega« atoma z veliko praznega prostora 171. Tako je Bragg vzpodbudil Rutherfordovo raziskovanje prodornosti žarkov a in jedrskega modela atoma. Rutherford je julija 1905 objavil meritve zmanjševanja hitrosti žarkov a med prehodom skozi snov. Ko se je začetna hitrost žarkov na poti skozi Al-liste zmanjšala na okoli 60 %. niso več mogli vplivati na fotografsko ploščo ali ionizirati plin. Rezultati so podpirali Braggovo teorijo absorpcije in ugotovitev, da »radij oddaja 4 različne vrste žarkov a različne prodornosti«, ki so jo pozneje pojasnili s fino strukturo spektra žarkov a oziroma s sevanjem potomcev 226Ra v radioaktivnem nizu /8/. Rutheriordovi rezultati so nasprotovali raziskovanjem H. Becquerela, ki je leta 1903 na fotografski plošči meril magnetni odklon žarkov a pri navadnem tlaku. Ugotovil je, da dvakrat močnejše polje ne premakne sledi žarkov a na fotografiji. Zato je trdil, da je izvir homogen in oddaja le žarke a enakih hitrosti. Polmer odklona žarkov je naraščal z oddaljenostjo od izvira, kar je H. Becquerel pojasnil z domnevo, da masa žarkov a narašča z razdaljo zaradi »priraščanja delcev iz zraka« /9/. Podobne ideje so ob prelomu stoletja objavljali tudi zakonca Curie, Crookes, Kelvin in Perrin /10/, vendar s sodobnega stališča zvenijo dovolj nenavadno, da jih je Rutherford lahko zavrnil. 16 VAKUUMIST 20/3 4(2000) Antoine Henri Becquerel (1852-1908) je bil sin predsednika pariške akademije in že tretja generacija v znameniti družini fizikov in kemikov. Leta 1874 je končal pariško Politehniko in postal tam dve leti pozneje lektor, leta 1895 pa profesor. Leta 1892 je nasledil očetovo službo v Museum d'Histoire Naturelle v Parizu skupaj z odličnimi preparati uranovih spojin, zataljenih v steklu, ki so kar čakali na raziskovalca. 1.3.1896 je odkril žarke, ki so jih mnogi, med njimi J.J. Thomson, imenovali kar »Becquerelovi«. Becquerel je sprva menil, da opazuje luminescenco v območju rentgenskih žarkov, kar je leta 1896 podprl tudi Thomson. Rutherford je januarja 1899 objavil, da gre za nove vrste žarkov, ki jih je imenoval a in p /11/. Becquere-lovo odkritje so pozneje imenovali radioaktivnost, zanj pa je leta 1903 prejel Nobelovo nagrado za fiziko skupaj z zakoncema Cune. Leta 1900 je izmeril razmerje e/m za žarke ß in ugotovil, da je enako kot pri tri leta starejših Thomsonovih meritvah »katodnih žarkov«. 11.9.1905 je H. Becquerel ponovil Rutherfordove meritve absorpcije žarkov a pri prehodu skozi Al-liste. Nasprotno od Rutherforda je meril pri navadnih tlakih in ne v vakuumu, vključil pa je tudi maqnetno polje. Podobno kot Rutherford je dodajal ovire iz Al-listov do debeline 0,034 mm na razdalji nekaj mm od fotografske plošče. Pri vseh meritvah se fotografije žarkov o irriairui >ea i:«-iji_i»j tUltiK nutri riiM mi • in* Slika 10: Lilienfeldov patent iz leta 1933 s strukturo MOSFET-a (Sah, n.d., Proc.lEEE 76/10 (1988) str. 1282) UNITED STATES PATENT OFFICE "Uli im.» iiiuriLD er »enair* ¦¦¦ M»C1 FOB CHTUIUII !•¦-,.. II ii 1- ¦*¦*¦"" <-• -¦¦¦¦ - ih> t— •¦ M»n Slika I1: Shockleyjeva ideja za izdelavo slika p-n z ionskim obstreljevanjem v ZDA-patentu št. 2666814, potrjenem dne 19.1.1954 (Bondyopadhyay, n.d.. 1998. sir. 199) II. DEL: UPORABA IONSKE IMPLANTACIJE V INDUSTRIJI ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/3-4(2000) 31.1,1950 |e Ohl predložil prvi patent za uporabo obstreljevanja z ioni različnih plinov. O2, H2, N2, He, Ar, CO in celo CHCI3 pri izdelovanju polprevodniških naprav. Tu je prvi opisal vse temeljne značilnosti ionske implantacije. Vendar je napačno menil, da ioni nečistoč vstopijo v površino kristala ter spremenijo število nosilcev naboja in z njim električne značilnosti snovi. Napaka je bržkone marsikoga zavedla na stransko pot /3/. *$**. •^i— «> - .f - 'Hi U —- t— i rit' . fir L5 "-nt «r i ¦¦¦v >^a "3 ^.-.-/•<- ; t ~>s^ "AS* i 1 r SWta 72: Se// /.abs v Murray Hill, New Jersey, leta 1950 (Henry Ehrenreich. Strategic curiosity: semiconductor physics in the 1950s, Phys. Today (ianuar 1995) str. 33). Ohl je leta 1952 pri Bell Labs prvi uporabil implantacijo He* v polprevodniški diodi s točkastim stikom. S tem je izboljšal lastnosti povratnega toka, ki ga je spreminjalo obstreljevanje s He+ /4/. 28.10.1954 je Shockley pri Bell Labs vložil patent za »tvorbo polprevodniških napravz ionskim obstreljevanjem«. Opisal je osnove opreme za ipnsko implantacijo pri izdelavi JFET-tranzistorja /5/. Čeprav je podal le temelje postopka, je predložil tudi separacijo ionov pred implantacijo ter električno in mehansko skeni-ranje. Vpeljal je tudi pojem območje ionske implantacije in opredelil poškodbe na kristalnem Si zaradi obstreljevanja z ioni. Shockleyjev patent pomeni rojstvo uspešnega ionskega implantiranja. Vendar ga ni patentiral, saj je bilo znano. Lastil si je predvsem izum segrevanja polprevodnika do 400°C po implantaciji, ki je bilo nujno za odstranjevanje poškodb zaradi obstreljevanja z ioni m za električno vzbujanje implantiranega dopanta. Takšni uspehi, neodvisni 00 same opreme za ionsko implantacijo. so tudi pozneje ostali značilnost njenega razvoja. Nasprotno od Ohla, ki je obravnaval le površinske spremembe, je Shockley menit, da energija vpadnih innnu dnlnča tudi globino implantiranih dopiranih nečistoč. Tako je prvi opisal bistvo ionske implantacije kot možnost vstavljanja nečistoč na želeno mesto v Jm. 19. 1954 w. shockley 2.66M14 mu «pri: 77. i»« , „„,, n>(1 . riQ 2A V* M - ~-"° F/G. 6 FtG.0 na 7B 1____* p r m /.>- INVENTOR W. SHOCK LEY ¦**** Arrtvmer Slika 13: Shockleyjev patent za tvorbo stika p-n z obstreljevanjem z devteroni in delci (t (Bondyopadhyay, n.d., 1998, str. 199, fig. 12.) Jwu 10. 19fll w. SHOCKLBY 2,967.952 SDlICOOgCTC* OfTFT TOIfTt» --------- I I — j ,— —J ~*k M M MJ&M&' -If s* j» ¦1 r- JI n n a n n n 9 9 " 1 ¦ a r •i TT Z l T Di9TAfJCL Wilu4m ShoC* it* im an*. w* 4 -VW! Slika 14; Shockleyev patent, vložen dne 25.4.1956 za »polprevodniški pomikalni register« (Bondyopadhyay. n.d., 1998. str. 208-210. fig. 31) 24 VAKUUMIST 20/3-4(2000) polprevodniku. J.W. Moyer pri GE je podoben patent vložil že 4 mesece pred Snockleyjem. Vendar je bil Moyerjev patent potrjen šele 15 mesecev za Shockley-jevim, ko se je uporaba ionskih snopov že udomačila pri izdelavi stikov p-n in tranzistorjev. Leta 1955 je Cussins iz nekoč Rutherfordovega Cam-bridgea poročal o prvem dopiranju polprevodnikov z implantacijo. Dopiral je 12 različnih elementov v Ge. Naslednje leto je Ohl dobil prvi patent za osnove ionske implantacije /6/. 3 Integrirana vezja Prvo desetletje po izumu tranzistorja so stike p-n proizvajali z difuzijo nečistoč. Vzporedno so raziskovalci polprevodnikov razmišljali o integriranem vezju, saj so bile možnosti za miniaturizacijo na dlani. Shockley je 25.4.1956, že po odhodu iz Bell Labs, vložil patent za »polprevodniški pomikalni register«. To je bil začetek razvoja monolitnih intregriranih vezij /7/. Iznajdba integriranega vezja se je posrečila Kilbyju julija leta 1958. ko je upore, kondenzatorje in diode iz Ge postavil na skupno podlago. Naslednji mesec je Kilby sestavil poenostavljeno različico tokokroga in 2.9.1958 prikazal delovanje prvega enostavnega mikročipa. 6.2.1959 je vložil patent imenovan »pomanj- Slika 15: Prvo Kilbyjevo integrirano vezje pri TI (Ross, n.d., 1998, str. 23.) Slika 16: Fotografi/a Kilbyja s čipom v roki (http://www.texasinstrumenls.com). ISSN 0351-9716 šano integrirano vezje« za nanos plasti Al na plast SiCte Vendar je bil njegov polprevodniški mikrocip nekoliko okoren in drag za proizvodnjo /8/. Jack StClair Kilby je bil rojen leta 1923 v državi Missouri (ZDA), otroštvo pa je preživel v Kansasu. Že v mladosti je pomagal očetu elektroinženirju. Leta 1941 je pričel študij na univerzi Illinois, vendar je diplomiral šele po vojni in magistriral leta 1950 v Wisconsinu. Leta 1947 je začel razvijati elektronske pripomočke v oddelku za polprevodnike osrednjega laboratorija Globe Union Inc. v Milwau-keeju. S tranzistorji se je seznanil na predavanjih v Bell Labs. Maja leta 1958 se je zaposlil pri TI. Polprevodniški laboratorij TI je od leta 1952 vodil G.K. Teal, ki je prišel iz Bell Labs, kjer je leta 1948 sodeloval pri razvoju tehnologije velikih kristalov Ge. Med letom 1965 in 14.4.1971 je Kilby razvil prvi žepni računalnik. Novembra 1970 je postal samostojni izumitelj in je med drugim raziskoval sončne celice. Med letoma 1978 in 1984 je bil profesor elektrotehnike na univerzi A&M v Teksasu. Leta 1982 so ga uvedli v »dvorano časti« OD bok Edisonu in drugim ameriškim izumiteljem, ki se jim je naslednje leto pridružil tudi Noyce. Oba raziskovalca sta leta 1989 dobila nagrado Charlesa Starka Draperja Nacionalne akademije za tehniko, ki je za izumitelje enakovredna Nobelovi nagradi /9 To je bila doba sovjetskega uspeha s Sputnikom 4.9.1957, ko je vlada ZDA vlagala ogromna sredstva v miniaturizacijo. Zato ne preseneča, da je idejo za drugačno različico integriranega vezja neodvisno razvil tudi fizik Noyce januarja 1959. Takoj za Sputnikom je Noyce sredi septembra 1957 skupaj z 8 raziskovalci različnih strok po poldrugem letu zapustil Shockleyjeve polprevodniške laboratorije. Ustanovili so podjetje Fairchild s sedežem le miljo proč ob gmotni podpori Fairchild Camera and Instrument Corporation. Prvotni cilj Fairchildaje bil razvoj, izdelava in prodaja dvojno-difundiranih Si-tranzistorjev brez uporabe ionske implantacije. Že po nekaj mesecih je prišlo do prvega uspeha, ko je teorijski fizik Hoerni Slika 17: Robert N. Noyce (Bondyopadhyay, n.d., 1998, str. 204). 25 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/3-4(2000) izumil proces izdelave planarnega tranzistorja, da bi se izognil nečistočam. Vendar ideje niso takoj uporabili. Noyce je edini pri Fairchildu že pred raziskovanjem v Shockleyjevem podjetju imel izkušnje s polprevodniki, m sicer z Ge. Na pobudo patentnega urada je kot vodja oddelka za raziskave m razvoj pri Fairchildu sklical vodilne tehnične raziskovalce. Razložil jim je. kako bi Hoernijevo idejo lahko uporabili za izdelavo celotnih tokokrogov in ne le posamičnih komponentstiskanjem plošče ob uporabi litografije /10/. 30.7.1959 je Noyce vložil patent za »polprevodniško napravo in usmernik« z opisom planarnega integriranega vezja in z uporabo Hoernijevih idej. Vodnike v vezju je nadomestil z im-plantacijo Al. Avgusta 1959 so pri Fairchildu javno oznanili, da bodo začeli proizvajati tranzistorje po novem Hoerntjevem planarnem postopku. Skupina pod vodstvom fizika Jaya T. Lasta je še istega leta prt Fairchildu izdelala prvo planarno integrirano vezje /11/. Proizvodnja se je začela naslednje leto. Maja 1961 je predsednik John F. Kennedy objavil program Apollo. Ob koncu leta so že vpeljali prva štiri integrirana vezja Micrologic™, ki jih je sestavljalo 5 osnovnih logičnih funkcij. Kupovala jih je predvsem vojska. Računalnik, ki ga je Apollo ponesel na Luno, je imel nekaj delov iz Micrologicove družine tokokrogov /12/. Vendar ni šlo brez prepira o prvenstvu. Noyce je dobil patent pred Hoernijem m Kilbyjem. zato je bil sprva proglašen za iznajditelja. Dolgoletni spor med Fairchil-dom in TI pa se je vendarle končal s sporazumom leta 1966. tako da si prioriteto pri iznajdbi integriranega vezja delita Noyce in Kilby /13/. Robert N. Noyce (1927-1990) je bil sin protestantskega duhovnika iz lowe. Bardeenov sošolec z univerze, sicer profesor fizike na kolidžu Cornell, ga je navdušil za fiziko in matematiko in seznanil s tranzistorji. Noyce je doktoriral leta 1953 na MIT in se je pridružil Philco Corporation v Philadelphiji pri razvoju tranzistorjev. Januarja 1956 se je po Shockleyjevem vabilu zaposlil v polprevodniških laboratorijih v Palo Altu. Kot je bilo v navadi v Silicijevi dolini, je tudi Noyce pogosto sodeloval pri ustanavljanju novih podjetij. Septembra 1957 je soustanovil Fairchild, julija 1968 Intel in končno še Sematech. Slika 18: Fotografija stavbe Fairchild Semiconductor v Palo AJtu, Kalifornija, s fotografijo spominske plošče, posvečene Noyceovemu izumu (Gordon E. Moore. The Role ofFaichild in Silicon Technology in the Early Days of -Silicon Valley", Proc. IEEE. 86/1 (Januar 1998) str. 55. fig. 2). Junija leta 1960 sta D. Kahng in M.M. Atalla iz Bell Labs objavila opis MOS-tranzistorja, ki je realiziral ideje ob izumu tranzistorja iz leta 1947. Leta 1964 je RCA prva uporabila tehnologijo MOS za izdelavo integriranih vezij/14/. Slika 19: Mikrofotografija prvega planarnega tranzistorja po Hoernijevem izumu pri Fairchildu (Gordon E. Moore, The Role of Faichild in Silicon Technology in the Early Days of -Silicon Valley, Proc. IEEE, 86/1 (Januar 1998) str. 58. fig. 4. Slika 20: Mikrofotografija prvega planarnega integriranega tokokroga, ki so ga po Noyceovem izumu izdelali pri Fairchildu (Gordon E. Moore. The Role ol Faichild m Silicon Technology in the Early Days of-Silicon Valley«. Proc. IEEE. 86/1 (Januar 1998) str. 60. fig. 5). 26 VAKUUMIST 20/3-4(2000) Slika 21: Chin-Tang Sah, rojen leta 1932 na Kitajskem, je leta 1949 odšel v ZDA in leta 1953 poslušal Bardeenova predavanja o tranzistorjih na univerzi Illinois v Urbani. Bil je Noyceov sodelavec pri Shockley Transistor Laboratory in pri Fairchildu od leta 1959, kjer je vodil fizikalni oddelek s 65 sodelavci in razvil velik del prve generacije integriranih vezij Si do leta 1964. Leta 1963 je Bardeen posredoval, da je bil Sah imenovan za profesorja elektrotehnike in fizike na univerzi Illinois (Sah, n.d.. Proč. IEEE 76/10 (1988) str. 1326). Kljub očitnemu uspehu integriranih vezij so zaradi nekaterih dvomov še najmanj 5 let razvijali tudi drugačne vrste »molekulske elektronike«, npr. pri letalstvu ZDA in v Bell Labs. Pri slednjem so ustanovili skupino za ionsko implantacijo šele sredi šestdesetih let. desetletje po Shockleyjevem patentu. Na začetku šestdesetih let ]e raziskovanje ionske irnplantacije v številnih laboratorijih vzpodbudilo iskanje novih področij uporabe za pospeševalnike in masne separa-torje, ki so jih jedrski fiziki nadomestili z napravami višjih energijskih zmogljivosti. Tako so raziskovalci ionske irnplantacije že imeli na voljo raziskovalno opremo v Chalk River Nuclear Laboratories, Oak Ridge National Laboratories, AERE Harwell in drugod. Vendar pospeševalnih z visokimi energijami reda MeV in majhnimi tokovi niso bili posebej primerni za tonsko implantacijo in so bržkone povzročili prvotno usmeritev raziskovanja k navadnim temperaturam, kvečjemu do nekaj 100°C. kjer se še niso pokazale prave možnosti nove metode dopiranja /15/. Majhno dansko podjetje za pospeševalnike Danfysik je leta 1960 izdelalo prvi industrijski impianter za kanadsko državno raziskovalno podjetje v Ontariu Model z 70 keV so imenovali »Skandinavski«. Tako so pionirske raziskave ionske irnplantacije na univerzi v Kopehagnu kmalu po Bohrovi smrti omogočile danski industriji uspehe svetovnih razsežnosti. ISSN 0351-9716 Med letoma 1956 in 1961 ni bilo posebnega napredka na področju ionske irnplantacije. Leta 1961 je F.M. Rourka s sodelavci opisal ionsko dopiranje Si s skupino elementov III. ali V. skupine. Dobili so koncentracijo 1018 atomov/cm3 v plasti blizu površine Si-tarče. Rourk-ovo delo je vzpodbudilo raziskave Švedov Alvagerja in Hansena, ki sta leta 1962 poročala o prvi uporabi irnplantacije za dopiranje polprevodnika v industriji. Implantirala sta P-ione z 10 keV v B-dopiran Si-kristal p-tipa z 9000 Ucm v elektromagnetnem separatorju izotopov v Aragonni. Dobila sta stik nekaj deset nm poo površjem. Po obstreljevanju sta izdelek segrela do 600 °C, da bi se znebila radiacijskih poškodb, vendar je pri tem nekaj P difundiralo v Si. Njun detektor delcev a površine 25 mm? je bil primerljiv z napravami, narejenimi z difuzijskim postopkom. Leta 1947 so fizik Roben Jemison Van de Graaf (1901 -1967) z MIT-a, njegov pomočnik John G. Trump in vodja britanske delegacije pri MIT Denis M. Robinson ustanovili HVEC za proizvodnjo implanterjev Thump je prvi opisal uporabo ionske irnplantacije za zdravljenje raka. Raziskovalci iz podjetja HVEC so pozneje ustanavljali nova podjetja, npr. IPC za vesoljske raziskave. Leta 1965 je HVEC v ZDA izdelal prvi impianter za potrebe industrije. Uporabniki opreme za ionsko implantacijo so okoli leta 1967 morali rešiti problem optimalnega črpanja in izbrati najugodnejšo postavitev črpalne naprave ob izviru, žarku ali ob tarči. Načrtovalci irnplantacije so bili predvsem strokovnjaki za visoke napetosti in so se morali šele priučiti vakuumski tehnologiji. Leta 1971 so ustanovili Extrion, prvo dolgoročno uspešno podjetje za dobavo implanterjev. Pozneje se je podjetje preimenovalo v Varian SEA in prevladuje na tržišču tudi ob koncu 20. stoletja. Poleg njega so se leta 1971 z ionsko implantacijo v ZDA ukvarjali še KEV. Ortec in Accelerators, Inc., v Angliji pa Linott, Ltd., ki se je pozneje pridružil Applied Materials /16/. 4 Ionska implantacija pri višjih temperaturah Na konferenci Aarhusu leta 1965 je K.E. Mancnester s sodelavci poročal o prvem bipolarnem tranzistorju, izdelanem izključno s snopi elektronov in ionov. Novo tehnologijo so v naslovu svoje razprave že imenovali »ionska implantacija« /17/. ske irnplantacije v Manchesterjevi skupini leta 1965 (Fair, n.d., 1998, str. 118) 27 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/3-4(2000) King iz IPC je na isti konferenci opozoril na možnost predvidevanja globine implantiranih stikov in na uporabo visokih temperatur, ki so šele odprle prave možnosti ionske implantacije. Kingovi predlogi so bili v nasprotju z mnenjem večine udeležencev. Kljub temu so jih upoštevali, saj je King že maja 1962 zaslovel z implantacijo P in drugih elementov V. in III. skupine s pospeševalnimi energijami 1 MeV v sončne celice. Raziskava je sledila leto dni starejši Alvägerjevi in Han-sonovi implantaciji P-ionov v Si za izdelavo detektorjev jedrskega sevanja, v njej pa je King že uporabil naziv »ionska implantacija«. Kingova skupina je z van de graaffom pospeševala ione 1 'B in 3'P z napetostmi med 80 in 400 keV. Pri 1 do 10 uA so dobili plasti n- in p- tipa v polprevodniških snoveh IV. skupine, predvsem v Si. Z visokimi napetostmi so zmanjšali razprševanje. tako da so dobili stike na uporabni globini brez procesa »kanaliranja« vzdolž izbranih površin kristalov. V prvi polovici šestdesetih let so pri IPC na ta način izdelovali sončne celice površine 2 cm2, detektorje sevanja premera 1.25 cm. spektrometre magnetnih spektrografov, unipolarne (FET) in bipolarne tranzistorje. Preizkušali so tudi diode z izdelavo plasti n-tipa po implantaciji 31P v diamantu. Kingov poctopck je omogočal dober nadzor go3tote implantiranih ionov med 1014in 1020 cm*3 na ponovljiv način. Ione visokih energij so implantirali skozi pasivno varovalno plast S1O2. Ker so bile uporabljene temperature pod normalnimi temperaturami difuzije, so lahko v enem kosu brez pojavov interakcije izdelali različne naprave ali elemente, tudi tranzistorje n-p-n in p-n-p. Tako so preprečili difuzijo nezaželenih nečistoč. Z visokimi energijami so se izognili razprševanju površin. Temperaturo podlage so kontrolirali med -195 in +800 C. Pri implantirani koncentraciji do 1018 ionov/cm3 so bili vsi ioni uporabljeni za substitucijo, pri stokrat višji koncentraciji pa je število uporabnih ionov padlo na 50%. Koncentracijo so računali po teoriji LSS. Razlika med teorijo in meritvami je bila pod 10%. Pri večini porazdelitev in upornosti Si-tarce je samo najvišja energija implantacije določala globino stika /18/. Kingova pobuda je omogočila iznajdbo samonas-tavljivih (self-alligned) MOSFET-vrat, ki se je v letu dni posrečila različnim skupinam raziskovalcev na Nizozemskem in v ZDA. Reševanje različnih problemov jih je pripeljalo k enakim rezultatom. Skupina H.A. Klasensa pri Philipsu je 1.6.1964 patentirala in istega leta objavila izboljšan postopek za izdelavo tankoplast-nega tranzistorja. Novost je bila v uporabi vrat za avtomatsko kontrolo področja izvira in odtoka. Dve leti pozneje je T.S. de Velde pri istem podjetju izumil uporabo vrat tranzistorja kot maske proti obstreljevanju z ioni. Poškodbe zaradi obstreljevanja z ioni Ar, O2 ali N2 je uporabil za izdelavo tranzistorja v polprevodniški podlagi iz sulfidov ali selenidov Cd ali Zn. Istočasno je H. Dill 1.5.1966 v Hughes Aircraft Company preizkušal polikristalni Si s tališčem pri 1410 "C za uporabo v vratih pri visokih temperaturah. 26.10.1966 je vložil patent z opisom procesa izdelave samonastavljivih vrat. Samo en dan po Dillu je njegov sodelavec R. Bower vložil podoben patent z vrati iz Al, izdelanimi pri nizki temperaturi. R. Kerwin, D. Kline in J. Sarace so pri Bell Labs 27.3.1967 vložili patent, ki je bil tehnično enak pol leta starejšemu Dillovemu. B. Wat-kins iz GME je svojo iznajdbo sicer patentiral več kot leto pred drugimi, vendar ne brez napak. -2 Fl (3,3 >- i vi- -1 FIG.4 «H l" . V/-*7 r3 L-n ~Z----z. FIG.5 mVENTCfcJ tHt S IlVtlDt ar Slika 23 rs de Veiaefeva samonastavijtvamosfet-vratd. izdelana teta 1966 pri Philipsu (Fair, /v.o.. J998, str. 120). Fig ic Fig lh. -1 Fig. Id Fig le Ho n i G Dill, «IVCN1WI Slika 26: H. Dillova samonastavijiva MOSFET-vrata. izdelana leta 1966 pri Hughes Aircraft Company (Fair, n.d., 1998, str. 12t). :^8 VAKUUMIST 20/3-4(2000) ISSN 0351-9716 Prioriteta je bila leta 1974 pripisana Bell Labs, vendar so različna podjetja razvijala različne tehnologije. Zaradi nesoglasij pri izbiri tehnologije je skupina inženirjev z Noyceom in Gordonom E. Moorom julija 1968 zapustila Fairchild in ustanovila Intel za razvoj izdelkov na temelju tehnologije Si-vrat. Pri Intelu so razvili prvi mikroprocesor/19/. 5 Ionska implantacija kot zrela oblika tehnologije Vzporedno z ZDA so ionsko implantacijo razvijali tudi v SZ. Njihovi dosežki so bili v bolj poljudni obliki predstavljeni šele po padcu Berlinskega zidu oktobra 1991 in so sprožili nemajhno presenečenje. Že leta 1952 je namreč M.M. Bredov opazil spremembe prevodnosti Ge p-tipa po obstreljevanju z Li+ v Fizikalno-kemijskem institutu v St. Petersburgu. Leta 1961 sta v Laboratoriju za ionsko obstreljevanje Kurčatovovega instituta za atomsko energijo V.M. in M.I. Gusev dobila p-n stik z dobrimi ojačevalnimi lastnostmi po obstreljevanju Si z ioni iz III. in V. skupine periodnega sistema. Pet let pozneje 50 tam tehnologijo ionske implantacije prvič v SZ uporabili za množično proizvodnjo preklopnih diod p-i-n in bipolarnih tranzistorjev. Prednosti ionske implantacije pri izdelavi sončnih celic je skupina Guseva objavila že pred Kingom v ZDA /20/. Količino implantiranih ionov so sprva določali optično. Leta 1973 so pri IBM prvič uporabili preizkušanje z avtomatskim merilnikom upornosti plasti, imenovanem NTS. Danes določamo količino implantiranih ionov z merjenjem električno aktivnih dopiranih atomov ali z optičnim ocenjevanjem poškodovanosti tarče/21/. Leta 1967 je bila vGrenoblu v Franciji prva konferenca, posvečena uporabi ionske implantacije v polprevod-niški industriji. Po izidu prve knjige, v celoti posvečene ionski implantaciji leta 1970, si redno sledijo tudi mednarodne konference o ionski implantaciji. Exitronov DF-4 iz leta 1975 pa je v Varianovi proizvodnji dve leti pozneje postal najpogostejše uporabljani implanter na svetu /22/. S temi dosežki je ionska implantacija postala zrela oblika tehnologije, razvite pri polprevodnikih. V naslednjih desetletjih so jo zato začeli uporabljati tudi na drugih področjih, predvsem v metalurgiji za razvoj novih zlitin, za boljše razumevanje vloge nečistoč v kovinah, za spreminjanje temperature faznega prehoda superprevodnikov ter kemijskih in mehanskih lastnosti kovinskih površin. Da se izognemo težavam zaradi razprševanja molekul s površin in omejeni koncentraciji implantirane snovi z ioni, raje obstreljujemo že napršene tanke plasti. Tako se dopolnjujeta dve vakuumski tehniki, ki so ju dotlej razvijali neodvisno. Ionska implantacija ima več prednosti, saj ne zahteva določene temperature tarče, dovoljuje zvezno spreminjanje sestave, ne tvori oksidov in drugih ovir med tankimi plastmi kot druge metode ter omogoča višje hitrosti reakcij in nižje temperature od klasičnih metalurških postopkov /23/. Z možnostjo natančnega doziranja katere koli dovolj nizke koncentracije ionov v tankih plasteh ima ionska implantacija upoštevanja vredno prihodnost med nanotehnologijami prihodnosti. 6 Ionska implantacija med Slovenci O delovanju ioniziranih delcev v snovi je kranjski fizik Fran Cadež, nekdanji Boltzmannov dunajski Študent, poročal tudi v slovenskem jeziku: "Alfa-žarki... v mali oddaljenosti 6-8 cm od radija že mirno obtiče v zraku. Svoje kratke poti pa niso napravili brez uspeha. Vse zračne molekule, na katere so naleteli na svoji poti, so razcepili takoj v atome ali ione. En sam «-delec razprši na svojem potu nad 100.000 molekul v ione. Koliko večji mora biti šele vpliv vseh a-delcev skupaj!« V istost He in a-žarkov je slovenskega bralca prepričal celo leto dni pred Rutherfordovim končnim dokazom, čeprav še vedno v zvezi z (napačno) JJ. Thomsonovo domnevo o zgradbi atoma: »Že prej smo zastavili vprašanje, kaj so one gruče elektronov, ki zapuščajo posamezne radijeve atome, in sicer s hitrostjo 10.000 km v sekundi. Te gruče smo spoznali že pri «-žarkih kot pozitivno električne atome, ki so le dvakrat težji od vodikovih. Kemija uči, da imajo tako težo edinole atomi plina helija. Upravičeno je tedaj mnenje, da obstajajo a-žarki iz helijevih atomov in da se mora v.bližini radija nabrati toliko tega plina, da ga lahko preiskujemo. Res, dokazalo se je že na več načinov, da se nahaja okoli radija vedno nekaj helija ...« Naši predniki so lahko prebrali tudi razlago nekaterih poskusov, ki se je pozneje izkazala za netočno: >*V najzadnjem času se je odkrila celo neka četrta vrsta žarkov, ki jih neprestano izžariva radij. Obstajajo namreč iz atomov, ki se popolnoma ujemajo z a-delci, razlikujejo se le v tem, da niso pozitivno električni kakor «-delci, ampak negativno. Kakovi so njihovi učinki. pokaže stoprav prihodnost /24/«. Prihodnost ni potrdila obstoja takšnih delcev, morda povezanih z električno nevtralnimi »'magnetnimi žarki« Augusta Righija {1850-1920) ali z »N-žarki« Reneja Blondlota (1849-1930) /25/. Slovenski bralec je bil tako sproti seznanjan z Ruther-fordovimi dosežki. V domačem jeziku se je lahko prepričal tudi o prednostih jedrskega modela atoma: »Rutherford je sklepal, da mora biti nosilec te pozitivne elektrike helijev atom, in "T. Royds je to domnevo spek-troskopično tudi potrdil. Žarki « so helijevi atomi, ki nosijo vsak po dva elementarna kvanta ... Pozitivna elektrika ne more biti razvrščena po površini tako velike krogle, temveč mora biti po izvajanjih E. Rutherforda zgoščena v minimalnem prostoru, v takozvanem ato-movem jedru, čigar polumer je zelo majhen, gotovo manjši od 1012 cm, bržkone velikosti 10*16 cm ... Elektroni niso zaprti v pozitivni električni krogli, temveč krožijo okoli pozitivnega jedra slično kakor planeti okoli Sonca«. Odkritja so seveda zbujala navdušenje: »Česar pa ni zmogla alkimija, zmore danes radiokemija /26/.« Tesno sodelovanje med Dunajem in Manchestrom je tudi slovenskim raziskovalcem omogočilo dopolnjevanje Rutherfordovih odkritij. Hugo Victor Karl Sirk (1881-1959), pogodbeni redni profesor fizike na ljubljanski univerzi med letoma 1928 in 1934, je bil eden pomembnejših raziskovalcev radioaktivnosti v habsburški monarhiji. Na fizikalnem institutu v Gradcu je nadaljeval Rutherfordove raziskave torija. Leta 1913 je začei delati na Institutu za preučevanje radija na Dunaju, ki je pod vodstvom Štefana Meyerja (1872-1949) med leti 1910 in 1920 zelo tesno sodeloval z Rutherfordovim laboratorijem v Manchestru. Tako je leta 1910 29 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/3-4(2000) Hans Pettersson na Dunaju z metodo uravnovešanja toka lonizacije opazoval toplotne pojave pri ß- in y-sevanju Ra. vzporedno s podobnimi raziskavami v Manchestru. Junija 1924 je poslal Rutherfordu razpravo, v kateri sta skupaj s Kirchom raziskovala obstreljevanje C in Al z žarki a. Rezultate sta dva meseca pozneje objavila na zborovanju nemških naravoslovcev in zdravnikov v Innsbrucku. Rutherfordova povezanost z dunajskimi fiziki se je nadaljevala tudi pozneje. Razpravo o toplotnem efektu žarkov a sta Rutherford in njegov demonstrator in asistent na univerzi v Manchestru, Robinson, julija 1912 poslala dunajski akademiji, ki jo je objavila februarja 1913. Šele med leti 1927 in 1933 je Rutherford uredil obročno plačevanje leta 1908 izposojenega radija, s čimer je rešil dunajski Institut za preučevanje radija iz hude gmotne zagate. Rutherfordov sodelavec madžarskega rodu Georg Hevesy (1885-1966) je skupaj s Panethom v začetku leta 1913 eksperimentiral na Dunaju. Poljak Stanislaw Loria je po Sirkovim podobnih raziskovanjih torija leta 1916 na dunajskem Institutu za preučevanje radija raziskovanje nadaljeval pri Rutherfordu v Manchestru /27/. Tudi pri razvoju ionske implantacije po 2. svetovni vojni Slovenci nismo zaostajali. Prvi uspešno delujoči tranzistorji so se pojavili aprila 1950. Poleti 1952 smo že brali: «... da se je s tranzistorjem rodil elektronki tekmec, ki mu bo morala v mnogih pogledih prej ali slej podleči« /28/. V Jugoslaviji so kmalu začeli izdelovati tranzistorje v ljubljanski Iskri in »RR« v Nišu, tako da so bili leta 1962 že v prodaji /29/. V Oddelku za polprevodnike pri Institutu za elektrozveze so razvili tudi lastno planarno tehnologijo kot osnovo za integrirana vezja. Vendar razvoj ni šel dlje od poskusnih serij, saj se ni izplačalo konkurirati državam z mnogo obsežnejšim tržiščem. V laboratoriju za mikroelektroniko FE so v sedemdesetih letih uporabljali Varian-Exitrionov implanter s hladno katodo. Testno vezje je izdelala skupina dr. Beliča. Ione so pospeševali z 20 do 200 keV pri tokovih 75 /jA za B in 250 /jA za P in As. Snop ionov je bil usmerjen pod kotom 7". Pred implantacijo MOS-tranzistorjev s kanalom p so napravo izčrpali do 2 mPa, med delom pa do 0,027 mPa. Koncentracijo ionov v odvisnosti od globine so določali s plastno upornostjo -n planil ranega sloja m s pragovno napetostjo MOS- tranzistorjev s kanalom p. Po implantaciji so izdelek segrevali do 900 °C /30/. Sodobne plazemske tehnologije uporabljajo tudi v Laboratoriju za elektronske elemente na FE v Ljubljani pri mikroobdelavi Si. Razvili so mokro jedkanje konveksnih struktur ob kompenzaciji s kvadratom in jedkanju v raztopinah N(CH3)40H ali KOH /31/. V ITPO z ionsko implantacijo preiskujejo tudi rast tankih plasti titanovih oksidov in nitridov /32/. 7 Sklep Odkritje in prva uporaba ionske implantacije sta bila povezana z različnimi opisi lastnosti žarkov a pri Rutherfordu in Becquerelu. Nekaj let pozneje je jabolko spora postala porazdelitev mase in naboja znotraj atoma, glavni nasprotnik Rutherfordovih idej pa je bil njegov nekdanji učitelj Thomson. Kresanje mnenj je imelo tudi značilnosti generacijskega prepada in je močno vplivalo na zgodnji razvoj kvantne mehanike. Ionska implantacija je ostala štiri desetletja po odkritju predvsem orodje za raziskavo vpadnih in izstreljenih delcev, manj pa njihovih tarč. Raziskovali so predvsem lastnosti žarkov u in radioaktivnih produktov m ne sprememb v obstreljevani snovi. Tanke tarče so izdelovali predvsem iz kovin, medtem ko je bil pozneje razvoj ionske implantacije povezan predvsem s polprevodniki. Pred 2. svetovno vojno ionske implantacije niso uporabljali v industriji, v popolnem nasprotju s poznejšim razvojem. V drugem delu razprave bomo opisali preusmeritev raziskovanja od izstrelkov k tarčam, ki je hitro pripeljala do uporabe lastnosti snovi, spremenjenih z implantacijo. Razvoj ionske implantacije se je začel kot laboratorijska posebnost, ki sta jo Rutherford in Bohr uporabila za meritve v podporo jedrskemu modelu atoma. Štiri desetletja spremljajoči pojavi v tarčah niso bili deležni posebne pozornosti. Ob miniaturizaciji tranzistorjev za uporabo v vesoljskih raziskavah so se pokazale potrebe po uporabi prav takšne, navidez enostavne okorne tehnike, ki s pospeševalno napetostjo določa globino vnosa ionov v podlago, s tokom pa njihovo gostoto. V nekaj letih je nova tehnologija dobila ime, posebne raziskovalne skupine, specializirane konference, monografije in prevladujoč model implanterja. S tem se je ionski implantaciji kot notranje dograjeni tehnologiji odprla široka možnost za uporabo zunaj meja industrije polprevodnikov, za katero je bila razvita. Izjemno hiter razvoj ionske implantacije je botroval tudi nekaterim stranpotem, ki bi se jim bilo morda mogoče izogniti s širšim poznanjem zgodovine sorodnih tehnologij. Zanimiva je vzporednica med ionsko implantacijo in elektronskim mikroskopom. Obe tehnologiji sta leta 1935 oziroma 30 let pozneje uporabljali ozke snope, ki so povzročali senčenje, odboj, razprševanje in onesnaženje. Po desetih letih so se pri obeh tehnologijah leta 1945 oziroma 1975 odločili za široke snope. Ni jasne razlage, zakaj se raziskovalci ionske implantacije niso pravočasno učili iz izkušenj 30 let starejših raziskav elektronskega mikroskopa /33/. Seveda je to zgolj ocena »generala po bitki«. 30 VAKUUMIST 20/3-4(2000) ISSN 0351-9716 8 Pomembnejši dosežki v razvoju ionske implantacije Leto Raziskovalec / institucija Kraj Področje raziskovanja ali odkritje 1891-1895 Hertz, Lenard Bonn Prodornost »katodnih žarkov« skozi ovire iz trdnih snovi 1904 Bragg. Kleeman Adelaide Območje ionizacije zraka ob preletu žarkov a 1905-1906 Rutherford, Becquerel Montreal, Pariz Prva ionska implantacija pri raziskavah prodornosti žarkov a 1908-1909 i Rutherford. Royds Manchester Objavita opis prvega implanterja v razpravi o naravi žarkov a 1911-1914 I Rutherford i Manchester Obstreljevanje trdnih snovi z ioni. odkritje atomskega jedra 1913. 1915 Bohr Manchester Teorija interakcije naelektrenih delcev z elektroni in jedri tarče 1948 Bohr Kopehagen Teorija zmanjševanja nabojev naelektrenih delcev pri prodiranju skozi snov 1952 Ohl New Jersey Patent za prvo uporabo implantacije v polprevodnikih. potrjen 19^G 1954 Shockley New Jersey Patent za »annealing« z opisom ionske implantacije, potrjen 1958 1958-1960 ! Kilby. Hoerni, Noyce Dallas. Kalifornija Patenti za planarni tranzistor in integrirano vezje, potrjeni med letoma 1961 in 1964 1962 King. Solomon Massachusetts Uporaba naziva »ionska implantacija«. ustanavljanje posebnih raziskovalnih skupin 19G3 Lindhard, Scharff, Schott Kopenhagen LSS-teorija energijskega območja ionske implantacije 1967 Fairchild Kalifornija Prva uporaba ionske implantacije v planarnem Integriranem vezju 1970 Mayer. Eriksson, Davies New York Prva monografija o ionski implantaciji 1971 Exitrion | Kalifornija Ustanovitev prvega dolgoročno uspešnega podjetja za dobavo implanteijev DF-4 postane najpogosteje uporabljani implanter ¦¦ 1975-1978 Exitrion Kalifornija UPORABLJENE OKRAJŠAVE IN SIMBOLI Bell Labs - Bell Telephone Labs. Murray Hill, New Jersey Cavendish - Cavendish Laboratory, Cambridge CR. - Comptes Rendus Hebdomadaires des Seances de l'Academie des Sciences, Pariz Exitrion - Exitrion, Corp., danes Varian SEA Fairchild - Fairchild Semiconductor Corporation, Mountain View, Kalifornija FE - Fakulteta za elektrotehniko GME - General Micro-Electronics Inc., podružnica Fairchilda, ustanovljena leta 1963 GE - General Electrics Co., Schenectady HVEC - High voltage engineering company, ZDA II - Ionska implantacija IPC - Ion Physics Corporation, Burlington, Massachusetts, 2DA UTS - Ion implant test site Mat.Fys.Medd. - Kgl. Danske Videnskabernes Selskab, Mattematisk-Fysiske Meddelelsker, Kopenhagen Philips - Philips Corporation, Eindhoven Ra-C - nekdanja oznaka za današnji 214Po RCA - Radio Corporation of America Rl - Royal Institution, London Sematech - Sematech Inc., Austin, Teksas Shockleyjevi polprevodniški laboratoriji - Shockley Semiconductor Laboratory v Palo Altu, Kalifornija, ustanovljen 1955, podrejen Beckman Instruments, Inc. SZ - Sovjetska zveza TI -Texas Instruments, Inc., Dallas, ZDA Varian - Vacuum Division of Varian Associates, Palo Alto, Kalifornija WE - Western Electrics 31 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/3-4(2000) Literatura -1, del 1 W Andrew Keenan Ion Implantation Technology. Solid State Technol. 34/10 (oktober 1991) str. 55; S. Thomas Picraux. Ion implantation metallurgy, Phys.Today 37/11 (november 1984) sir. 38 2 Janez Resman. Postopek ionske implantacije v tehnologiji MOS. tipkopts. Ljubljana, december 1980. stf. 1; Heiner Ryssel (r.1941) in ingoti Rüge, Ionenimplantation. Prevod: Ion implantation. John Wiley & Sons, 1986. str 1-2; M.S. Dresseihaus in R. Kalish, Ion Implantation in Diamond. Graphite and Related Materials. Springer-Verlag. 1992. str 31 3 Peter Panjan. Plazemsko inženirstvo površin, Vakuumist 19/2 (1999) str. 16; Panjan, Teodor Kralj, Miran Mozetič in Marijan Maček, Industrijska uporaba plazemskih površinskih tehnologij, Vakuumist 18/3 (1998) str 9 4 Eugen Goldstein (1850-1930), Ann.Phys. 15 (1882) str. 246; Hein- rich Rudolf Hertz (1857-1894). Über den Durchgang der Kathodenstrahlen durch dünne Metallschichlen, Ann.Phys. 45 (1992) str. 28-32. Ponatis: Schriften vermischten Inhalts, Leipzig 1895. str. 355; Otto Robert Frisch (1904-1979), The Nature of Matter. London 1972. str. 55: Max von Laue (1879-1960). Geschichte des Elektrons. Phys.BI. 3/15 (1959). Prevod: Stati i reči. Nauka. Moskva 1969. str. 310-311; David L Anderson. The discovery of the electron. Princeton. New Jersey 1964, ruski prevod. Atomizdat. Moskva 1968. str. 48-49 5 Philipp Lenard (1862-1947), Ann.Phys. 51 (1894) str. 225; 52 (1894) str 23; 56 (1895) str. 255 m 64 (1898) str. 279. Francoski povzetek v Hernri Abraham in Paul Langevin (1872-1946) (ur.). Les quan-lites elementares d'electricite iona, electrons, corpuscule», Gauthier-Villars, Paris 1905. Str. 369. 378. 386. 391 in 558-559; Janez Strnad. Razvoj fizike. DZS. Ljubljana 1996. str 272 S Strnad. Fiziki. 2. del, Modrijan. Ljubljana 1998. str. 142 7William Henry Bragg (1862-1942) in RKIeeman. Phil. Mag. (december 1904) in 10 (september 1905) str. 318 in 518; Ernest Rutherford, Retardation of the a Particle from Radium in passing through Matter. Phil Mag 12 (1906) str. 135 in 143; Daniel Danin. Probabilities of the quantum word. Mir. Moskva 1983. stf. 40 B Rutherford. Some Properties of u Rays from Radium, Phil. Mag. 11 (1906) str. 166, 171: 12 (1906) str. 141 9 Henri Becquerel (1852-1908), Sur la deviabilite magnetique et la nature de certains rayons amis par le polonium, C.R 136 (26.1.1903) stf. 199; Sur le rayonnement du polonium et du radium. C.R. 136 (16.2.1903) str. 431; Sur le rayonnment du polonium et sur le rayonnment secondare qu'il produit.CR. 136 (27.4.1903) sir. 977; Sur une pcopriete des rayons a du radium. C.R. 136 (22.6.1903) str. 1517. Ponatis v Recherches sur une propriete nouvelle de la matiere. Paris 1903: Rutherford, n.d.. 11 (1906) str. 168; Strnad. n.d.. 1996. str. 280-281 10 Steven Weinberg, The discovery of subatomic particle. 1983. Prevod Mir. Moskva 1986. str 168 11 Stuart M Fetter. Arthur Schuster. J.J. Thomson, and the discovery of the electron, HSPS 20/1 (1989) str. 57; F. Kedrov. Ernest Rutherford. Znanie. Moskva 1980. str. 18-20 12 H. Becquerel, CR. št.11 (11.9.1905), ponatis v Phys.Z. 7/20 (15.10.1905); Rutherford, n.d.. 11 (1906) str. 168-169 13 Rutherford, n.d . 11 (1906) str. 170-176 14 Rutherford. 12 (1906) str. 358-359 15 Rutherford. n.d.. 12 (1906) stf. 135-136 16 Rutherford, n.d.. 12 (1906) str. 138 in 144 17 T.G. Taylor. Phil. Mag 18 (1909) str. 604 in 26 (1913) stf. 402; Geiger. The ionization produced by an alpha particle. Part ll. Connection between ionization and absorbtion. Proc. Roy. Soc 88 (1910) str. 505 in Phil. Mag. 23 (1912) str 449; Charles Gallon Darwin (1887-1962). Phil. Mag. 23 (1912) str. 907; Thomson. Camb.Ut.&Phil. Soc. 15 (1910) str. S; Ludwig Flamm (1885-1964). Wien. Ber. 123 (1914) 11a; F. Friedman, Wien. Ber. 122 (1915) 11 a str. 1269; Bohr. On the Theory of the Decrease of Velocity of moving electrified Particles on Passing through Matter. Phil. Mag. 25 (1913) in On the Decrease of Velocity of swiftly moving electrified Particles on Passing through Matter. Phil. Mag. 30 (1915). Prevod: Izbranije naučnie trudi, Nauka, Moskva 1970 in 1971.1, str. 63-64. 73-74, 215, 230 in 233 18 Niels Bohr, Reminiscences of the Founder of Nuclear Science ana of some Developments Based on his Work, Proc. of Phys. Soc. 78(1961). Prevod n.d., 1971. II. str. 547-548: Kedrov. n.d.. 1980. str. 26 in 47; O.A. Staroseljskaja-Nikitina. Ernest Rutherford. Nauka. Moskva 1967. str. 130-131; Strnad, n.d.. 1998. sir 193: Harold Roper Robinson. Rutherford: life and work to the year 1919. with personal reminiscences of the Manchester period V zborniku: Rutherford at Manchester (ur. J.B. Birks). W A. Benjamin inc.. New Vork 1963, str. 66 19 Rutherford, n d 12 (1906) str. 145-146; Staroseljskaja-Nikitina. n.d., 1967. str. 138-139; M.P. Bronštein. Atomi i elektroni. Nauka. Moskva 1980. str. 132 in 134 20 Robinson, n.d.. 1963. str. 74; AndradevBirks, n.d.. 1963. str. 30 21 Rutherford in Royds, The Nature of the « Particle from Radioactive Substances, Phil.Mag. 17 (1909) str. 282: Max Bom, Der Aufbau der Materie. Springer. Berlin 1922. stf. 6 in 36; Peter L Kapica. Eksperiment teorija praktika. Nauka, Moskva 1981, str 280: Kedrov, n.d., 1980. str. 52-54; Strnad. n.d.. 1996. str. 278: Andrade vBirks. n.d. 1963, str 32 22 James Dewar, The Rate of Production of Helium from Radium. Proc.Roy.Inst. 81 (1908) str. 280 in 286. Ponatis v Collected papers. Cambridge 1927. ll.stf.1013 23 Rutherford, n.d., 12 (1906) sir 144-145; Richard P Brennan, Heisenberg Probably Slept Here. John Eiley S Sons. Inc.. 1997. stf 124 24 Danin. n.d. 1983. Str. 48 25 Rutherford, The Scattering of a and p-Particles by Matter and the Structure of the Atom. Phil Mag. Ser.6. 21 (1911) sir 669 in 680-681; Rutherford, Phil.Mag 27 (1914) str 494; Hans Göger (1882-1945) in Ernest Marsden (1889-1970). On a Diffuse Reflection of the a-Parfcdes. Proc.of Roy.Soc.(A) 82 (1909) str. 495-500; Charles Gallon Darwin (1887-1962). Phil.Mag 27 (1914) str 506; George Paget Thomson (1892-1975), 1961 Prevod: Duh nauki, Znanie. Moskva 1970. str. 61. Staroseljskaja-Nikitina. n.d.. 1967. str 140 26 Kedrov. n d.. 1980. str. 55-58. Thomson, n.d, 1970. str 62; A i Anseljm, Očerki razvitija fizičeskoi teorii v pervoi tret XX veka. Nauka. Moskva 1986, sir 79; Danin. n d.. 1983. str. 37; Weinberg n.d. 1986. str. 169: Strnad. nd.. 1996, str 294 m 1998. str 194: Robinson, n.d . 1963. str. 68 27 Weinberg, n.d.. 1986. str. 178 28 Crowther. Proc.Roy.Soc. 84 (1910) str. 226. Rutherford, n.d.. 1911. str. 686-688; Hantaro Nagaoka (1865-1950). Phil.Mag 7 (1904) str. 445. SR. Filonovič. Sudba klassičeskogo zakona. Nauka. Moskva 1990. str. 193; Eri Yagi. The development of Nagaoka's saturnian atomic model, Histoire de la physique, V. Albert Blancherd, Paris 1971. str. 117-119 29 Danin. n a.. 1983. str 30-31.50 in93; Anseljm. n.d . 1986 Str. 74: Filonovič. n.d.. 1990. sir. 189-190 30 Brennan. n.d.. 1997. str. 120 31 Geiger in Marsden. The Laws of Deflexion of u-Particles through Large Angles. Phil.Mag VI 25 (1913) str 604.606 in 621-623 32 Nicholson, The Constitution of the Solar Corona, Month. Not Roy. Astr. Soc. 72 (1912) str. 49,139. 677-692(11) in 729-739(111), Bohr. 1913, n.d., str. 10-31; Bohr, n.d.. 1971, II, str 594-595; Rutherford. Structure of the Atom, Phil.Mag. 27 (1914) str 494-495. Filonovič. n.d.. 1990. str. 195; Geiger, n.d.. 1913, str 604 33 Birks. n.d. 1963, stf 11-12, 52.69.71.104-106in 139. Rutherford. Collision of a Particles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen. Phil.Mag. VI 37 (1919) 34 Kedrov. n.d.. 1980. str. 20 35 Weinberg. 1986. str 85 in 143; Strnad. n.d., 1998, str. 178; Wolfgang Paulis 100 birthday, Europhysics news, jullj/avgust 2000. str. 12 36 Kapica, n.d., 1981. Str. 298-299 37 Kedrov. n.d . 1980, str. 46 38 Staroseljskafa-Nikitina. n.d.. 1967, str. 120 in 123; Kedrov, n.d.. 1980. str. 12 39 Bohr, n.d., 1970.1, sir. 83. 216 in 245-246; Hans Albrecht Bethe (r 1906), Ann Phys. 5 (1930) str 325 in Z Phys 76 (1932) str 293; 32 VAKUUMIST 20/3-4(2000) ISSN 0351-9716 Felix Bloch (r.1905).Z.Phys.81 (1933) Str. 363, Ryssel, n.d.. 1986, Sir. 5 40 Bohr. n.d.. 1971. II, sir. 545-546 41 Kedrov, n.d.. 1960, str. 106-107; Leon Rosenfield (r.1904) in E. Rydinger. Gennembrudsarene. 1911-1918. Prevod v Niels Bohr. Žizn itvorčestvo, Nauka. Moskva 1967, sir. 158 42 Weinberg, n.d.. 1986. str. 147; Strnad. n.d.. 1998. sir. 199 43 Bohr. The penetration ol atomic panicles through matter. Mat. Fys. Medd. 18/8 (1948) 144 strani; Electron capture and loss by heavy ions penetrating through matter (z J. Lindhardom). Mat. Fys. Medd. 28/7 (1954) str. 3-30; N.O. Lassen. On The Energy Loss 8y Fission Fragmenls Along Their Path, Phys. Rev. 75 (1949) str. 1762 in 79 (1950) str. 1016; J. Undhard in M. Scharff, Mat. Fys. Medd. 27/15 (1953) In Phys. Rev. 124 (1961) str. 128; Bohr, n.d., 1971. II. str.446. 454 in 469; Undhard. Schärft in H.E. Schott. Range concepts and heavy ion ranges. Mat. Fys. Medd. 33/14 (1963); Ryssel. n.d.. 1986. sir. 7; Orlando Auciello in Roger Kelly, Ion bombardment modification ot surfaces, Elsevier. Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo 1984. str. 1; Dresselhaus. n.d.. 1992. str. 35 Literatura - II. del 1 Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963). Method and apparatus (or controlling electric currents. ZDA patent St. 1745175. vložen 8.10.1926. potrjen 18.1.1930. Device for controlling electric current, ZDA patent Št. 1900018. vložen 28.3.1928, potrjen 7.3.1933; Amplifier for electric currents, ZDA patent št. 1877140. vložen 8.12.1928. potrjen 13.9.1932; Oskar Heil. Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Britanski patent št. 439457. vložen 4.3.1935, potrjen 6.12.1935. dogovor z Nemčijo 2 3 1934; Chih-TangSah (r.1932). Evolution of the MOS Transistor-From Conception to VLSI. Proc.lEEE, 76/10 (oktober 1988) str. 1280-1283; Robert K. Waits. Evolution of Integrated-clrcuit vacuum processes: 1959-1975. J.Vac.Sci.Technol. A 18 (4) (Jul/Avg. 2000) str. 1736; Lienhard Wegmann. Historical perspective and future trends for ion Implantation systems. Nucl Instrum Methods 189 (1981) str. 1 2 Shockley, ZDA patent št. 2666814. 19.1.1954 in št. 2672528, 16.31954; PK. Bondyopadhyay. W Shockley, The Transistor Pioneer-Portrait of an Inventive Genius. Proc.lEEE, 86/1 (Januar 1998) str 199 3 Russell S. Ohi Properities of ionic bombarded crystals. 8ellSyst.Techn.J.31 (1952) str. 104inSemiconductortrans!ating devices. ZDA patent št. 2750545, potrjen 12 6.1956; Fair, n.d.. 1998. str. 112 4 Charles B Yarling, History of industrial and commercial ion implantation 1906-1978. J.Vac.Sci.Technol. A 18 (4) (Jul/Avg. 2000) str. 1746 5 Shockley. ZDA patent št. 2787564. 2.4.1957. potrjen 12.4.1958; Sah. n.d.. 1988, str. 1285. 1288 in 1321; Bondyopadhyay, n.d.. 1998. str 199 S Wegmann. n.d.. 1981. str. 1; Fair, n.d., 1998. str. 112-114 WD. Cussins. Proc.Phys.Soc. 368 81955) str. 213 7 Shockley. ZDA patent št 2967952. 10.1.1961; Bondyopadhyay. n.d.. 1998, Str. 204 8 Kllby. ZDA patenta št. 3138743 in 3138744. 23.6.1964; Kilby, Invention of the integrated circuit. IEEE Trans.Electron Devices, vol. ED-23 (Julij 1976) str. 653; C. Mark Melllar-Smith (r.1945). Michael G. Borrus. Douglas E Haggan. Tyler Lowrey. Alberto San Giovanni Vincentelli in William W Troutman. The Transistor: An Invention becomesa Big Business. Proc.lEEE. 86/1 (Januar 1998) str 89 in 93; Irwin Goodwin, Kilby and Noyce win Draper prize for developing mikrochips, Phys.Today (november 1989) str 52 9 Prabhakar B. Ghate. Interconnections in VLSI, Phys.Today 39/10 (oktober 1986) str. 59; Goodwin, n.d., 1989. sir. 52 10 Jean A. Hoemi (1925-1997), ZDA patenta št. 3025589 in 3202589. 20.3.1962; Hoerni, Planar Silicon diodes and transistors, IRE Trans.Electron Devices, vol. ED-8 (Marec 1961) str. 178 (tudi knjiga, Bristol 1961); Gordon E. Moore (r. 1929), The Role of Falchild in Silicon Technology in the Early Days of-Silicon Valley«. Proc.lEEE. 86/1 (Januar 1998) str. 53 in 58-59; Goodwin, n.d., 1989. str. 52 11 Noyce. ZDA patent št. 2981877. potrjen 25.4.1961; Yarling. n.d., 2000. str. 1747; Jay T, Lasl. Two Comunications Revolutions, Proc. IEEE. 86/1 (Januar 1998) str. 175. lan M. Ross, The Invention ot the Transistor. Proc. IEEE. 86/1 (Januar 1998) str 22-23. Melliar-Smlth. n.d.. 1998. str 93; San. no.. 1988. str 1292 12 Waits, n.d.. 2000. sir. 1738: Moore, n.d.. 1998. str 59 13 Yarling. nd.. 2000. str. 1746-1747; Ross. n.d.. 1998. str 22: R.8 Fair. History ol Some Early Developments in lon-lmpianiatwn Technology Leading to Silicon Transistor Manufacturing, Proc. IEEE 86/1 (Januar 1998) sir 111 in 119. Bondyopadhyay n.d . 1998. str 204 14 Moore, n.d.. 1998. str. 60-61; Ross. n.d.. 1998. str 24; Sah. n d.. 1988. str 1293 15Wegmann.n.d . 1981.str 1.Fair.n.d..2000.str. Ill in 114;Ross. n.d.. 1998. str. 23; Ryssel. n.d.. 1986, sir 3 16StuanW. Leslie, Profit and loss: Themilitary and MIT In thepostwar era. HSPS21/1 (1990) str. 75, Waits, n.d.. 2000, stf. 1741 in 1744, Torsten Atväger in Niels J. Hansen. Doping ot Crystals by ion Bombardment to Produce Solid State Detectors. Rev.Sci.Instrum. 33 (1962) sir. 567; Fair, n.d., 1998, str 115, Roben E Mcgeary. Ion Implantation: From Lab to Fab, Solid State Techno! 31/3 (marec 1988) str. 33 17 Yarling, Walther H Johnson, Keenan in Lawrence A Larson. Uniformity Mapping m Ion Implantation: Part I. Solid StateTech-nol. 34/12 (december 1991) str. 57; Fair, n.d.. 1998. str. 117-118 18 W.J. King. J.T. Burnll, S. Harrison. F. Martin irrC.M. Kellen. Experience in fabricating semiconductor devices using Ion Implantation techniques. Nucl.Instrum.Methods 38 (1965) str 178-179; Wegmann. n.d.. 1991. str. 5; Yarling. n.d.. 1991. str. 57. Fair. n.d.. 1998. str. 111.115 in 117-118 19 Fair, n.d., 1998, str. 111 in 119-124. Moore, n.a.. 1998. sir. 62. Waits, n.d., 2000, str. 1739; Sah. n.d.. 1988, str. 1284 20 Yarling, n.d.. 2000, str. 1750: A.F Vyaikin. V.V Smirnov in A.I Kholopkin. Development of Ion Implantation Equipment in ihe USSR. Solid State technol. 34/10 (oktober 1991) str. 57; LA Gusev. A.N. Murin in P.P. Spregin, Sov.Phys.-Solid State 6 (1964) str. 1491; Ryssel. n.d., 1986. str. 338 21 Yarling, n.d.. 1991. str. 58 In Part II, Solid State Technol 35/3 (marec 1992) str. 29 22 Ryssel. n.d . 1986. str. 3; J.W Mayer. L. Eriksson in JA. Davies. Ion Implantation in Semiconductors. Stanford Press. New York. 1970; Yarling. n.d.. 2000. sir 1746-1747 23 Picraux. n.d . 1984. str. 38.39in42-43: Ryssel, n.d . 1986. str. 1-2: Dresselhaus, n.d., 1992. str. 156-158; Panjan n.d , 1999 str 16 24 Fran čadež (1882-1945), Skrivnost radioaklrvnosli. Slovenska matica, Ljubljana 1908. str. 33. 39 in 35 25 Bruno Carazza In Helge Kragh. Auggsto Righi's magnetic rays: A failed research program in early 2ff -century physics. HSPS 21 (1990) str. 12 26 Čadež, n.d., 1908, str. 31 in 37; Lavo Čermelj, Materija in energija, 1923. Ponatis: Slovenska matica, Ljubljana 1980. str. 97. 148 in 110 27 Wien.Ber. 2a 120 (1911) str. 313-336, 121 (1912) sir. 1491-1516. 122 (1913) str. 1855-1884. Staroseljskaja-Nikitma. n.d . 1967. str 131. 180-181 in231;Birks. n.d.. 1963, Str. 36 in 131 28 Miroslav Adlešič. Od mehanike do elektronike, MK, Ljubljana 1952. Str 468 29 Primož Krišter. sestavimo si Iranzistorski radio. ŽT. št 5,1962. str 185 30 Avgust Belič. Integrirani tranzistor na poljski pojav s kanalom p, EV (1976) str 186; Resman. n.d.. 1980. str 2, 9. 12 in 18 31 Drago Resnik, Uroš Aljančič. Danilo Vrtačnik. Matjaž Cvar in Slavko Amon, Mikroobdelava silicija. Vakuumist 18/1 (1998) str. 9; Panjan, n.d.. 1998. sir. 11 32 Miran Mozetič. Anton Zalar in Jacek Jagielski. Preparation of thin coatingsoftitanium compounds with ion implantation. Informacije MIDEM, 29/3 (1999) str. 117-120 33 Ernst Ruska (1906-1988), The development of the electron microscope and of electron microscopy, 8.12.1986. V zborniku. Nobel lectures, Physics 1981-1990, World Scientific, Singapore, New Jersey, London. Hong Kong, str. 359, Wegmann. n.d.. 1981, str. 2 33