Materialtuning für die Ionenimplantation.

Die Ionenimplantation ist einer der komplexesten Prozesse in der Herstellung von Halbleitern. Strahlenreinheit und Prozessstabilität sind ein absolutes Muss. Refraktärmetalle und Grafit in der Implanteranlage spielen dabei eine wichtige Rolle.

In der Ionenimplantation werden monokristalline Siliziumsubstrate gezielt mit Ionen beschossen, um die Materialeigenschaften des Halbleiters zu beeinflussen. Dadurch entstehen etwa isolierende Schichten, an anderen Stellen können die Leitfähigkeit verbessert oder die Elektronenbeweglichkeit beeinflusst werden. Die Dotierstoffe sind etwa Bor, Arsen, Phosphor, Indium oder Germanium.

Energie, Ausrichtung und Gleichförmigkeit des Ionenstrahls dürfen auch nach vielen Betriebsstunden und Prozessänderungen nicht schwanken. Die Prozessstabilität wird stark von dem Design der Komponente und ihren Materialeigenschaften beeinflusst. Je länger Komponenten ihre Form und Eigenschaften exakt beibehalten, umso besser für den gesamten Prozess und seine Wiederholbarkeit.

Viele Ersatzteile in der Implanteranlage sind über lange Zeiträume hinweg mit den Prozessgasen und dem Ionenstrahl in Kontakt. Starke chemische und elektromechanische Kräfte im System führen dazu, dass Materialien sich abnutzen und ablagern. Der Materialschwund der Bauteile entlang des Strahlengangs beeinträchtigt den Implantationsprozess. Um Fehler auf dem Wafer zu vermeiden, muss das Bauteil frühzeitig ausgetauscht werden. Das kostet: für jeden Produktionsstopp oft mehrere 10.000 Dollar.

Im Strahlengang kommen vor allem Grafit und hochschmelzende Metalle zum Einsatz. Ihre thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften sind also besonders wichtig, um die Zykluszeit der Anlage zu erhöhen. Nur wer die Materialeigenschaften von Grafit und hochschmelzenden Metallen genau kennt, kann das optimale Material für jedes Ersatzteil auswählen. Das macht der Werkstoffexperte Plansee mit mehr als 90 Jahren Erfahrung mit hochschmelzenden Metallen und mehr als 30 Jahren Erfahrung mit Grafit und Implantationsprozessen. „Mehr als Ersatz“: Nach diesem Motto verbessert Plansee nicht nur das Design von Originalhersteller-Teilen sondern auch die verwendeten Werkstoffe.

Drei Grafitgüten. Endlos viele Möglichkeiten.

Andere Hersteller verwenden für alle Grafit-Ersatzteile im Ionenimplanter dieselbe Materialgüte. Plansee hat für die unterschiedlichen Anforderungen im Implanter drei perfekt abgestimmte Materialqualitäten im Angebot. Diese angepassten Grafitqualitäten sind: Gereinigtes Strukturgrafit, Aperturgrafit und Spezialgrafit.

Warum es drei verschiedene Grafitqualitäten braucht? Weil Grafit im Strahlengang unterschiedliche Anforderungen erfüllen muss. Bei einer Blende kommt es vor allem auf die mechanische Stabilität an. Für Teile in der Quelle zählt hingegen vor allem die thermische Leitfähigkeit, da die Temperatur in der ganzen Quelle möglichst konstant sein soll.

Die drei Grafitqualitäten für Plansee-Ersatzteile unterscheiden sich primär in der Körnung des Materials und damit in ihrer Härte und Festigkeit. Das Strukturgrafit ist ein Grafit mit 5-10µm Körnung. Es wird dort eingesetzt, wo der Strahl das Material unter normalen Bedingungen nicht trifft – also für Halterungen, Abdeckungen, oder Fixierungen.

Aperturgrafit wird - wie der Name sagt - für Aperturen und Blenden eingesetzt. Aperturgrafit hat eine Korngröße von etwa 5µm und zeichnet sich durch eine etwa 50% höheren Härte und Festigkeit als Strukturgrafit aus. Aperturgrafit ist besonders homogen. Wo Materialabtrag unvermeidlich ist, findet er bei diesem homogenen Material wesentlich gleichmäßiger statt als bei Strukturgrafit. Der Implantationsprozess läuft so wesentlich stabiler.

Spitzenreiter in Sachen Homogenität ist aber das sogenannte Spezialgrafit. Mit einer ultrafeinen Körnung von 1-2µm ist das Material in punkto Härte und Festigkeit noch einmal um etwa 50% besser als Aperturgrafit. Das Spezialgebiet dieses Grafits sind Blenden und Aperturen in den Extraktionsoptiken und bei der Massenresolution - dort wo die Form der elektrostatischen Linse oder die Erosionsfestigkeit besonders wichtig sind. Der Abtrag von Spezialgrafit ist so gering, dass es auch nach der Massenanalyse eingesetzt werden kann und trotzdem nicht zu einer höheren Partikelbildung führt.

Über ihre mechanischen Eigenschaften hinaus haben die drei Grafitqualitäten auch unterschiedliche elektrische und chemische Eigenschaften. Das Spezialgrafit hat neben einer besonders ebenen Oberfläche eine gute elektrische Leitfähigkeit. In Blendensystemen der Extraktion kann Spezialgrafit mit diesen Eigenschaften Kurzschlüsse durch Überschläge die sogenannten Glitches reduzieren. In vielen Anwendungen kann der Glitching-Effekt sogar komplett beseitigt werden. Das Aperturgrafit hat eine besonders gute thermische Leitfähigkeit und sorgt damit für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in einer Ionenquelle. Was alle drei Grafitqualitäten gemeinsam haben, ist ihre hohe Reinheit. Der von der Halbleiterindustrie geforderte Wert von höchstens 5ppm Fremdpartikeln wird garantiert. Die tatsächlichen Werte liegen in der Praxis bei ultrareinen 2ppm.

Die hohen Qualitätsanforderungen von Plansee erfüllen nur sehr wenige Graphitlieferanten weltweit. Welches Material für welches Teil verwendet wurde, ist bei Plansee kein Geheimnis. „In einem so sensiblen Prozess wie der Ionenimplantation ist Transparenz für uns eine Selbstverständlichkeit. Wir machen in der Dokumentation zu jedem Ersatzteil erkenntlich, welche unserer Graphitqualitäten verwendet wurde“, so Dr. Thomas Werninghaus, bei Plansee zuständig für die Entwicklung neuer Werkstoffe für Ionenimplanter.

Dass sich der Einsatz von höherwertigem Material auszahlen kann, zeigt ein Beispiel in den USA: Neben dem Design einiger Ersatzteile und Komponenten in der Flight Tube optimierte das Plansee -Team auch die Materialauswahl. Herkömmliches Grafit des Originalherstellers musste Struktur- und Aperturgrafit weichen. Die Frage, ob das jeweilige Ersatzteil direkt mit dem Ionenstrahl in Berührung kommt, war entscheidend für die Materialauswahl. Das Ergebnis: Die Standzeit der Flight Tube konnte mit den Maßnahmen von Plansee verdoppelt werden.

Um bei aller Leistung dennoch Kosten zu sparen, setzt Plansee für seine Kunden oft auf eine Kombination verschiedener Grafitqualitäten: Hochwertigstes Grafit für hochbelastete Teile, Standardqualität für außenliegende Teile. „Für das Rennen den Ferrari, für die Einkaufsfahrt tut es auch der Mittelklassewagen“, bringt es Dr. Thomas Werninghaus auf den Punkt.

Einteilige Grafitblenden aus kostengünstigem Strukturgrafit ergänzt Plansee etwa mit Einlagen aus besonders hochwertigem Aperturgrafit oder Spezialgrafit. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Härte und Festigkeit besonders gefragt sind – in der Nähe des Ionenstrahls. Das reduziert den Verschleiß und erhöht die Standzeit der Blende.

Dass Plansee die Eigenschaften von Graphit bis ins kleinste Korn kennt, macht sich auch im Engineering bezahlt. Selbst schwierige geometrische Formen sind machbar. Oft kann Plansee aufwendige mehrteilige Baugruppen vereinfachen – das erleichtert den Einbau.

Neue Metall-Legierung reduziert Halogenzyklus.

Auch bei Wolfram- und Molybdänteilen im Ionenimplanter ist Reinheit oberstes Gebot. Wechselt die Materialquelle häufig, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass auch die Qualität des eingesetzten Materials schwankt. Die Folge: Prozessschwankungen, ungeplante Ausfallzeiten oder eine unregelmäßige Komponentenabnutzung. Der Grund dafür ist einfach: Mit den Eigenschaften des Ausgangsmaterials ändert sich auch das Verhalten der Komponente. Plansee hat in Sachen Rohstoff vorgesorgt: Das Schwesterunternehmen Global Tungsten Powders und Beteiligungen an Molymet, dem weltgrößten Verarbeiter von Molybdän-Erzkonzentraten, garantieren langfristige Versorgungssicherheit und gleichbleibende Qualität.

Mit reinem Ausgangsmaterial hört die Materialkompetenz bei Plansee längst nicht auf. Herausforderungen in einem Ionenimplanter sind für Plansee auch eine Frage der Materialzusammensetzung. Eine eigene Forschungsgruppe entwickelt neue Legierungen und Materialverbunde, um die Standzeit und Leistungsfähigkeit von Ionenimplanterteilen zu verbessern. Ein besonders erfolgreicher Materialverbund ist Wolfram-Lanthanoxid, den bereits viele Plansee-Kunden erfolgreich gegen den Halogenzyklus-Effekt in der Ionenquelle einsetzen. Doch was ist der Holgenzyklus überhaupt?

Halogenhaltige Gase wie Bortrifluorid (BF3), Germaniumtetrafluorid (GEF4) werden für die Bereitstellung von Dotierstoffen wie Bor und Germanium benötigt. Im Plasma der Ionenquelle werden die gasförmigen Moleküle aufgespalten und ionisiert. Die Gewinnung von B+ aus Bortrifluorid (BF3) bringt etwa BF2, BF, B, F und einige ihrer Ionen hervor.

Die abgespaltenen Fluoratome reagieren mit verfügbarem Wolfram zu Wolfram-Halogeniden. Diese Moleküle können durch hohe thermische Energie – vor allem an der Kathodenoberfläche – aufgespalten werden. Das Halogen wird wieder ins Plasma zurückgeführt, Wolfram setzt sich in der Ionenquelle ab. Dieser sogenannte Halogenzyklus lässt Wolframkomponenten in der Ionenquelle schnell erodieren und führt in anderen Bereichen der Quelle zu starken Wolframablagerungen. Die Folge sind oft Kurzschlüsse bis hin zum Ausfall der Quelle.

 

Um den Halogenzyklus zu reduzieren, setzt Plansee neben einem verbesserten Design auch auf ein neues Material.

Ersetzt man Wolfram an den kälteren Stellen in der Ionenquelle durch den Verbundwerkstoff Wolfram-Lanthanoxid (WL) reduziert sich der Halogenzyklus merklich. In Kombination mit den richtigen Grafitenqualitäten an der richtigen Stelle sorgt dieses Material für eine homogenere Temperaturverteilung in der Kammer. „Unsere Kunden sind mit unseren WL-Bauteilen sehr zufrieden. Erste Zahlen aus der Praxis deuten darauf hin, dass der Einsatz von WL die Standzeit der Teile um bis zu 150% erhöht“, erklärt Thomas Werninghaus.

Plansee Hochleistungswerkstoffe.

Plansee Hochleistungswerkstoffe ist Experte für Komponenten aus Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob und Chrom. Ob in der Elektronik, der Beschichtungstechnik oder in Hochtemperaturöfen: wo herkömmliche Metalle an ihre Grenze stoßen, kommen Legierungen und Verbundwerkstoffe von Plansee ins Spiel.

An seinen Produktionsstandorten in Kalifornien und Japan, fertigt Plansee für die Ionenimplantation tausende verschiedene Ersatzteile aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Grafit und Keramik. Plansee fertigt Produkte exakt nach dem OEM-Standard aller gängigen Hersteller. Doch der eigentliche Fokus des Unternehmens liegt in der Verbesserung von OEM-Ersatzteilen. Unter dem Namen „Plansee Advanced Standard“ sind Ersatzteile von Plansee in der Halbleiterindustrie für ihre längere Lebensdauer, einfacheres Handling und geringeren Wartungsaufwand oder Kostenreduzierungen bekannt.

Ein weltweites Verkaufsteam und ein internationales Team aus Produktingenieuren und Konstrukteuren beraten Anlagenbetreiber vor Ort. Erfahren Sie mehr über unsere Grafit- und Metallkomponenten für die Ionenimplantation.