A RUTHERFORD-VISSZASZÓRÁS ÉS »KARRIERJE« A MIKROELEKTRONIKÁBAN

Gyulai József
MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet

Évtizedek óta kétévenként rendezi meg az "ionsugaras" szakmai közösség az International Conference on Ion Beam Analysist (IBA), amely azon, főként anyagtudományos eredmények seregszemléje, ahol a vizsgálandó anyagot gyorsított ionokkal bombázzák és a kilépő reakció-termékeket gyűjtik be, vizsgálják, analizálják. E termékek lehetnek maguk a becsapódó, szóródott ionok, vagy velük azonos rezonancia-termékek, de lehetnek magreakciók révén keletkező másfajta részecskék, vagy akár a kiváltott optikai, röntgen-, illetve gamma-sugárzás fotonjai. E termékek vizsgálata alapján ugyanis következtetni lehet az eredeti anyag sok-sok tulajdonságára. Az utolsó IBA-konferenciát Ernest Rutherford személyének szentelte a közösség, munkásságának fő helyszínén, Cambridge-ben rendezve azt, mert nevezetes szórásformulája adja alapját az egyik legelterjedtebb és nevét is viselő módszernek, a Rutherford-visszaszórásnak (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS).

Az RBS-módszerről – bevezetésül

1. Az RBS – legegyszerűbb alakjában – egyfajta tömegspektrometria. Ha egy energikus, könnyű (m tömegű) ion, például alfa-rész, ⁴He⁺, proton,… beleütközik a vizsgálandó tárgy egyik felszíni, az ionnál nagyobb (M) tömegű atomjába, akkor a Rutherford-formula szerint szóródik. A centrálisan érkező részecskék azonban – amelyek a párhuzamos pályájú nyaláb mintegy egy ezrelékét teszik ki – nagy szögű, rugalmas szórást szenvednek, az energia és impulzustételt kielégítve mintegy "visszapattannak" a nehezebb atomokról (1. ábra). Ilyenkor az M >> m feltétel teljesülésekor az energiaveszteség-formula rendkívül leegyszerűsödik [1]. A ⁴He ionok, például aranyról körülbelül 95%-os, szilíciumról 56%-os, oxigénről 32%-os stb. energiával "pattannak" vissza.

   

2. Mélységfüggő kémiai analízis. Ha az atom, amelyen a szóródás bekövetkezik nem a felszínen, hanem az anyag mélységében van, az ion a behatolás folyamán – enyhe ütközésekkel – veszít energiájából, amely anyagfajtáktól is függő "fékeződési erő" (dE/dx) révén mélységskálává alakítható. A szórásnál bekövetkezik az előző pont szerinti karakterisztikus energiaveszteség, majd a kifelé úton fellépő további energiavesztéssel jut az m tömegű ion a detektorba.¹ A MeV-es energiák alkalmazása azért bizonyult előnyösnek, mert a dE/dx függvény valamennyi anyagra valahol ebben az energiatartományban lapos maximummal rendelkező függvény, azaz a fajlagos energiaveszteség mind a behatolásnál, mind a kifelé haladásnál közel azonosnak választható. Így az energiaskála egyszerűen mélységskálává alakítható át (2. és 3. ábra).

3. A csatornahatás további lehetőségeket kínál. Ha a besugárzott anyag kristályos, annak atomjai, síkjai irányító hatást gyakorolnak a belépő részecskére, és – a fent említett – "enyhe ütközések" jellege megváltozik: a csatornák atomközi terében az ionok szinte akadálytalanul repülnek, kiszóródást csak az ionpálya orientációs pontatlanságai, vagy a hőrezgések miatt a csatornába "belógó" atomok fokozatos hatása okoz.² Ha tehát az ionokat, például résekkel század fok kúpszögű széttartással "kollimáljuk", továbbá a mintát egy goniométerre szereljük, megnyílik a lehetőség, hogy a szórásképből kristályszerkezeti információt is szerezzünk (4. ábra)

A történet, röviden

Térjünk azonban vissza a történethez, ami jóval korábban indult. Köztudott volt, hogy a "magfizikusok" már a harmincas években az RBS-t használták arra, hogy a céltárgyaik tisztaságát ellenőrizzék. Az első, a világ figyelmét is felkeltő RBS-vizsgálatot – tudtommal – Anthony L. Turkevich (1916–2002) javaslatára a Surveyor-5 (1967) fedélzetén végezték, a Hold talaja kémiai összetételének megismerésére – a Nyugalom Tengerénél leszállt űrhajó alatti talajrészen.

Az RBS-t is megvalósító eszköz egy leengedhető, 15 cm átmérőjű "fazék" volt, amelyben hat ²⁴²Cm (curium) α-forrás szolgáltatta a gyors, maximum 5,8 MeV energiájú alfa-részecskéket. Az eszköznek két független detektáló rendszere volt: két detektor mérte a Rutherford- visszaszóródást (RBS), négy detektor az egyidejűleg fellépő magreakciók proton és α-részecske termékeit.

A detektorok elektromos impulzusait, amelyek a kémiai információt szállító részecskék számát és energiaeloszlását "rejtették", egy sokcsatornás analizátor rendezte energiaspektrummá, azaz olyan grafikonná, amelynek abszcisszája a detektorok által észlelt részecskeenergia, ordinátája azok száma a besugárzás alatti időre, pontosabban az érkező iondózisra vonatkoztatva. Ez a készülék már az űrhajóban volt.

A teljes misszió 83 + 22 órányi adattömeget juttatott a Földre. Az adatok analízise arra utalt, hogy ott a Hold talaja bazalt, sok titánnal – hasonlít a Hudson folyó talajára a Palisades vidékén. A titántartalmat aggályosnak találták, de később, a hazahozott mintákon végzett mérések igazolták a mérés helyességét.

Turkevich sikere felvillanyozta a MeV-es, jó energiastabilitású gyorsítók körül dolgozó kutatókat, hogy a mérést ²⁴²Cm helyett ionnyalábbal valósítsák meg. Sőt, rögtön adódott az az ötlet is, hogy a mintát goniométerre szereljék, amikor is a csatornahatást is be lehet kapcsolni kristályszerkezeti mérésre, sőt, a kristályatomok "árnyékkúpja", annak energiafüggése további, különleges kristálytani méréseket tett lehetővé, mint például a felszíni atomok relaxációja, azaz a rácsállandó megváltozásának mérése az aszimmetrikus kötőerők hatására [2] (5. ábra).

Az én pályám félvezető-kutatóként indult Szegeden, Budó Ágoston mellett és csak a szerencsém vagy az "őrangyalom" irányított 1969-ben a Caltech Jim W. Mayer professzor vezette, akkoriban szerveződő csapatához, ahol nem sokkal korábban születtek meg az első RBS-spektrumok, implantált szilíciumot vizsgálva, S. T. Picraux, Jim első doktoranduszának munkáját is dicsérve.⁴

A téma érdekessége okán sok kiváló magfizikus és szilárdtestfizikához, a félvezető-fizikához, az embrionális mikroelektronikához is jól értő kutatócsapat kapcsolódott be az RBS finomításába, alkalmazásába a mikroelektronika "pre-Moore" korszakában.⁵ Rövidesen csatlakozott a KFKI-csapat is sok metodikai újítással.

Az ionimplantáció alapszabadalma és "technológiává" válása

Az implantációs eljárást is Shockley szabadalmaztatta, még 1957-ben. Az ő "implantere" még fiatal korom vákuumrendszereihez hasonlított, de a szabadalom lefedte a fő célt, a pn-átmenet létrehozását megfelelő adalékok bejuttatásával. Zsenialitásával arra is rájött, hogy az eljárás legfőbb gondja az lesz, hogy a becsapódó ionok energiáját disszipálni kell az anyagban, ami óhatatlanul a kristályrács roncsolását eredményezi. Megoldásként már ő is az utólagos hőkezelést javasolta (6. ábra).

Az emberiség nagy szerencséje, hogy a korábban egyeduralkodó, diffúziós adalékolási eljárás⁶ hátrányai az áramköri gyártásban csak a hetvenes években váltak kritikussá, amikorra az eredeti szabadalom "kifutott" és az eljárás általánosan alkalmazhatóvá vált, de még jelentős kutatómunkát kellett kifejteni az implantáció előnyeinek bizonyítására. További nehézség volt azon pszichológiai gát legyőzése, hogy a részecskegyorsító, mint gyártóeszköz teljességgel idegen volt a félvezető áramkörök gyártási környezetében. Így a nagy kihívás abban rejlett, miként lehet az implantációt a fizikusi egzotikumból ipari eljárássá alakítani, fejleszteni. Ebbe a munkába mi is bekapcsolódhattunk.

Emlékezetes maradt számomra, amikor az egyik legelső implantációs konferencián (Thousand Oaks, 1970) egy inteles kollégával beszélgetve ő mélyen lekicsinyelte az implantációt, mondván: legfeljebb arra lesz jó, hogy amorfizálják két tranzisztor közötti területet az elemek elektromos szigeteltségének javítása érdekében. Az Intel véleménye nem volt meglepő: a nem sokkal korábbi, alapításkori titkuk a technológiai higiéne olyan mértékű biztosításában rejlett, amellyel el tudták kerülni a kemencék samottja "gyilkos" ionjainak beépülését a leendő tranzisztorba. Az ezt biztosító műszaki-gépészeti "trükk" tette számukra lehetővé, hogy elsőként hozzanak létre diffúziós eljárással komplementer tranzisztorpárokat, azaz invertereket. 1975-ben lehetett, amikor korábbi Caltech doktoranduszunk, R. D. Pashley megírta nekem, hogy az Intel alkalmazta – ez a hír jelezte a filozófia ottani megváltozását. Az implantációs adalékolás ugyanis sokkalta egyszerűbb utat jelent a cél eléréséhez. Dick egyébként a flash memória egyik feltalálója, milliárdos üzletággá fejlesztője, és az Intel egyik igazgatóhelyettese lett.

De az alapkérdés, a rácskárosodás megszüntetése évtizedes, a generációm szakmai életének hosszával mérhető kutatást indított, hogy a miniatürizálásból folyamatosan következő újabb igényeket ki lehessen elégíteni. Az első paradigmaváltás akkor lépett fel, amikor a diffúzióval biztosítható eloszlási bizonytalanságok kritikussá váltak. Az új paradigma az lett, hogy a gyártás közben fellépő diffúzió kerülendő, azaz az implantáció oda és annyi adalékot juttasson be, ahol és amennyire szükség van a funkcióhoz és a diffúziót okozó termikus terhelés, a "thermal budget" minél kisebb legyen.

Miért találkozott az RBS és az ionimplantáció?

A MeV-es energiájú hélium ionok behatolási mélysége (R_p) szilíciumba mintegy 6-8 µm; az ionok R_p körül adják le energiájuk zömét, azaz ebben a mélységben roncsolják az anyagot, de ahol az "érdekes" rész van, ott szinte roncsolásmentesen átfutnak. A 7. ábrán a szilícium-technológia legfontosabb adalékanyaga, a bór mélységi eloszlását mutatjuk be [1], különböző gyorsítási energiákkal belőve. A 2 µm-ig ábrázolt abszcisszát kell a 6-8 µm körüli roncsolási csúcshoz hasonlítani. Már itt meg kell jegyezni, hogy az áramkörök méretcsökkenése következtében az alkalmazott gyorsítási energiák mára az 1-2 keV környékére csökkentek! Ez erősítené az RBS alkalmazhatóságát, ha a tranzisztorok mérete nem csökkent volna mélyen a praktikus nyalábméret alá. Ezzel megsejthető, hogy a mikroelektronikai alkalmazásoknál – szemben a hetvenes, nyolcvanas évekkel – a kilencvenes évektől miért csökkent az RBS alkalmazhatósága.

A spektrum-olvasás ABC-je, az RBS+channelinggel mérhető mennyiségek⁷

A szórási folyamatot rögzítő spektrum egyetlen folyamatként hihetetlenül sok információt tartalmaz az anyagszerkezetről. Nem túlzás azt mondani, hogy az RBS, pláne az ionsugaras analitika rokon módszereivel kombináltan, biztosan az a fizikai módszer, amely a legtöbb információt rejti egyetlen regisztrátumban. A következő mennyiségek ugyanis mind kiolvashatók a detektorba ütköző, egy-egy ΔE energiaablakba eső visszaszórt ionok (a belőtt dózishoz viszonyított) számából:

• Energiaveszteség – kinematikus, illetve fékeződéses;
• Irányfüggés mérése;
• A csatornahatás kritikus szöge;
• Felületi csúcs – az első atomi rétegről való visszaszóródás;
• Direkt visszaszóródás az adszorbeált (más fajta) első atomsorról;
• Minimális hozam – a felületi csúcs mögötti jelmagasság a csatornahatás megnyilvánulása;
• Kiszóródás csatornából, "dechanneling";
• Árnyékkúpok energiafüggésben;
• Kettős csatornázás (beeső és kilépő nyaláb is csatornázható);
• Anomális hozam, úgynevezett "flux peaking", ha különleges rácshelyeken ülnek atomok, amelyekbe szűk szögtartományban az ionok bele tudnak ütközni.
• Végül, az RBS "autokalibrált", azaz nem feltétlenül igényel kalibrációs standardot – szemben a legtöbb analitikai módszerrel – bár itt is lehet egyszerűbb egy standarddal való összehasonlítás.

Ezek a mennyiségek érzékenyek arra, hogy mi a "lövedék" és annak mekkora az energiája, ezért a mérés körülményei optimálissá tehetők, amire természetesen törekedni kell.

• Megválasztandó a lövedékion fajtája. Főleg könynyű ionok jönnek számításba, de előnyös lehet a Heavy Ion Backscattering, HIBS, alkalmazása is;
• Ionenergia MeV körül optimális, de felületi, felület- közeli hatások mérésére a száz keV nagyságrendű energia előnyös: Medium Energy Ion Scattering, MEIS;
• Az ionenergia megválasztásánál kihasználhatók a Rutherford-hatáskeresztmetszetben egyes lövedékcéltárgyelem párok esetén bizonyos energiákon fellépő rezonanciák, amely energiákon a kérdéses elem különösen nagy érzékenységgel mutatható ki (például He-ionok hatáskeresztmetszete oxigénre 3 MeV táján, szénre 4 MeV táján mutat ilyen hatást);
• A szórási geometria, beesési, detektálási szög – a mélységfelbontás nő, ha a fékeződési energiaveszteséget megnöveljük, akár súroló irányú beesésig;
• Iondózis – ha számítani kell sugárzási károsodásra;
• A módszer egyik változata a "kilökéses" spektroszkópia, Elastic Recoil Detection Analysis, ERDA, amikor a lövedéknél kisebb tömegű, az impulzusátadáskor az anyagot elhagyni képes sebességre felgyorsuló atomokat detektáljuk (például hidrogéntartalom, eloszlás mérése);
• A becsapódási nyalábméret mikro-, nanonyalábok méretéig csökkenthető;
• Kettős csatornázás megjavítja a rácshelyzet vizsgálatának pontosságát (befelé és kifelé is).

Az RBS különlegessége még az is, hogy léteznek olyan rokon módszerek, amelyek ugyanazt a gyorsítót, azonos szórókamrát igényelnek, amelybe több, megfelelő detektáló rendszer is beépíthető, sőt a detektálandó termékek akár levegőbe vagy héliumba is kihozhatók. Ezek a rokon módszerek a

• lövedékrészecskék által gerjesztett röntgen emisszió felhasználása, Particle Induced X-Ray Emission, PIXE,
• vagy a magreakciókból származó gamma-fotonok detektálása, Particle Induced Gamma Emission, PIGME,
• valamint a széles körben alkalmazott eljárás, amely a MeV-es részecskék által kiváltott magreakciók termékeit gyűjti a detektorba és azokból következtet vissza a tárgy összetételére, netán szerkezetére is, ez a Nuclear Reaction Analysis, NRA.

Az RBS-t is beleértve, amint említettük, ezen módszerek gyűjtőneve Ion Beam Analysis, IBA.

Egyéb segédeszközök alkalmazása is segítheti a konkrét feladat megoldását, például az kérdéses réteg feletti anyag előzetes eltávolítása valamilyen porlasztással, marással, hogy a fékeződés okozta kényszerű energiaelmosódást elkerüljük.

Az RBS és channeling együttes (RBS+C) mérése esetén talán nem túlzás azt mondani, hogy aligha van a fizikában még egy olyan eljárás, amelynél egyetlen mérésből ennyiféle adat olvasható ki – ha nem is csúcsérzékenységgel:

• kémiai összetétel, réteges szerkezeteknél is,
• információ a kristály minőségéről,
• szennyezések, adalékok rácsbeli elhelyezkedése, vándorlása,
• a felület minősége,
• felületi adszorpció, relaxáció kvantitatív meghatározása,
• bevonatok atomi szerkezete,
• rácsrezgések amplitúdója,

A kisebb méretű számítógépek kapacitásának növekedésével lehetővé vált szimulációs programokat írni, amelyek egzaktul kiszámolták és megjelenítették egy adott vizsgálati minta RBS, sőt csatornázott spektrumát, ez az eljárás használhatóságának óriási lökést adott. Az egyik elsőt a Mayer-csapat doktorandusza, L. Doolittle fejlesztette lépésről-lépésre, ez RUMP néven vált ismertté [4]. Egyidejűleg Kótai Endre (KFKI) is hozzákezdett egy szimulációs program kifejlesztéséhez ZX-Spectrum mikrogépen. Máig előttem van Larry Doolittle arckifejezése, amikor a KFKI-ban megmutattuk neki a "konkurenciát": őszintén elcsodálkozott, hogy alig tud kevesebbet, mint az övé. Kótai Endre ma ismert RBX programja [5] az egyik legpontosabb, kényelmes és praktikus. Hazai eredmény az azzal kompatibilis és együtt alkalmazandó program, a DEPTH-kód [6], amely pontossá tette a mélységi energiaelmosódások számolását és együtt terjed az RBXszel. Később munkatársaink kidolgoztak egy további programot, "kódot", amely pórusos szerkezetek esetén is pontos eredményt ad [7].

Implantációs közösségünk RBS alkalmazásával elért alapvető eredményei

Eredményeket, amelyek jelentősége olyan lett, hogy nem szerénytelen az RBS mikroelektronikai, integrált áramköri "karrierjéről" beszélni…

A Caltech korábbi diákja, a Fairchild kutatólaborjában dolgozó Val Rodriguez, meglátogatta korábbi iskoláját 1969 októberében, éppen amikor az RBS ügyeiben előreléptünk. Val, zseniális ember lévén, amikor megismerte a kísérleti lehetőségeinket, az RBS lehetőségeit, rögtön vagy hat-nyolc kísérletsorozatot említett, amelynél a Fairchild fejlesztők analitikai feladatok előtt álltak és metodikai gondjaik voltak. Szinte hetenként érkeztek a mintasorozatok, például az akkor újdonság MNOS (szilíciumnitrid réteggel működő) technológia fejlesztése, a Gunn-diódák kontaktusainak optimalizálása, a GaAs eszközök diffúziós gátjainak optimalizálása, a GaAs kémiai bomlása a technológia során stb. megoldására. Sorozatban készültek el azok a cikkek, amelyek demonstrálták az RBS hihetetlen sokoldalúságát és teljesítőképességét a mikroelektronikai feladatok megoldásában – biztosítva ezzel a Caltech-csapat élen maradását.

Az amerikai Nemzeti Kutatási Alap (NSF) által létrehívott Caltech–KFKI csereprogram 1974-ben indult meg, egy kéthónapos utammal. Ez lett közvetlen szakmai életemnek – hatásában – a csúcspontja.

Az Intel eredménye ugyanis, hogy a MOS-tranzisztorban⁸ funkcionális elemként szereplő termikus SiO₂ réteg jobb elektromos minőségű az (100)-szilíciumon, mint a korábban általános (111) irányban szeletelt anyagon (8. ábra), ekkor kezdett fontossá válni.

A Mayer–Gyulai-csapat csatlakozó eredménye, hogy az implantációt követő visszanövés is tökéletesebb az (100) irányban szeletelt kristályon. Nem vitatom, hogy az oxidminőség kérdése alapvetőbb, de a mi eredményünk – amelyet a Kellogg Laboratóriumban egyik este Helmut Müller vendégkutató figyelmessége iniciált, aki észrevette a mintatartó dobozok feliratában a különbséget ("Look, this is 111 and this one is 100!") – és az ezt igazoló, saját mérésem alapján született eredmény (9. ábra) nem-jelentéktelen lépés volt az ionimplantáció "technológiává válásában". Mindenesetre, a világ teljes szilícium-ipara ezeket az eseményeket követően állt át tömegében az (100) orientációjú kristály növesztésére.

Különösképpen igaz ez egy további eredmény fényében. Az első KFKI-s cserekutató Csepregi László lett. 1974-es hazajövetelemkor egyetértettünk Mayer professzorral, hogy a rövidesen kiérkező Laci itt és ezzel a témával folytatja. Így indulhatott el Laci a világhír felé.

Mi volt ez a folytatás?

Az ionimplantáció inherens gondja volt, hogy a csatornahatás miatt az ionok (főleg a "könnyű" bór) mélyebbre és statisztikával kevésbé kiszámítható mélységekbe jutnak. A világ első gondolata az lett, hogy implantációkor a Si-lapkát kissé félre kell fordítani.⁹ A zavaró hatás ezzel ugyan csökken, de nem tűnik el. A visszanövéses kísérletek azt is megmutatták, hogy a teljesen amorf Si könnyebben nő vissza, mint a "csupán" sok hibával terhelt. Az a gondolat kezdett érlelődni, hogy amorffá kell tenni a szilíciumot. H. Ryssel egy nagyon szellemes eljárást talált ki [9]. Az implanterekben a bórionokat leggyakrabban BF3 gáz elektromos kisüléséből nyerik. Meglepő azonban, hogy a kilépő ionok jelentős része metastabil molekula-ion, sőt, a formációból jóval több van a nyalábban, mint elemi B⁺-ból. Ryssel ötlete abban állt, hogy a becsapódáskor széteső molekula ionjai, eltérő tömegeik és a megfelelő R_p behatolási mélységek miatt, nagyjából azonos mélységben állnak meg. Azonban a fluor erőteljesebben roncsol, mint a bór, azaz a kristály hamar eléri az amorfitást. Ekkor a bór már az amorf anyagban áll meg, és a szokásos Gauss-eloszlást mutatja. Azokban az években a fluor jelenléte még nem látszott katasztrofálisnak.

A Csepregi László sikeres munkájával kifejlesztett és később nyerőnek bizonyult eljárásban, amelyet "pre-amorphization"-ként ismer a világ [10], az "önimplantáció" volt az ötlet: bombázzuk amorffá a felszíni réteget az alapanyaggal azonos, azaz Si-ionokkal, majd ebbe az amorf rétegbe lőjük bele az adalékatomokat. Végül egy viszonylag alacsony hőmérsékletű hőkezeléssel, amikor is a nem-roncsolt alapkristály kristályosodási magként is szerepel, kristályosítsuk vissza az anyagot, benne az adalékkal, amely – az alacsony hőmérséklet miatt – alig diffundál, azaz ott marad, ahova belőttük (10. ábra).

Évtizedek óta ez a standard eljárás. Voltak gyárak, amelyek az egyszerűsége miatt a Ryssel-módszert alkalmazták, de két hátránya miatt ma egyre kevesebben teszik: 1) a belövés kezdeti szakaszában még kristályos a Si, amikor tehát még nem véd a csatornahatásból eredő profiltorzulás ellen, 2) de főleg, az áramköri elemek méretcsökkenésével egyre nagyobb gonddá vált a töltéshordozó csapdákat okozó fluor jelenléte.¹⁰

A visszanövés témája (amelyet Solid Phase Epitaxial Growth, SPEG néven rögzített a világ) évtizedekig uralta az integrált áramköri technológiák adalékolási kérdéseinek kutatását. Egy mai processzorban az Intel – ez szakmai elégtétel is a korábbiakban mondott anekdotához – huszonháromszor alkalmazza az implantációs adalékolást! A témáról, felkérésre, cikket írtunk, amelyben összefoglaltuk annak a versenynek az állomásait, amely nem elhanyagolható mértékben járult hozzá – és jelentős százalékban az RBS-t használva módszerül(!) – a mikroelektronika Moore-törvény szerinti fejlődéséhez. A cikk tiszteletadás is volt a tragikus sorsú, akkor már súlyosan beteg Csepregi László eredményes, a KFKI tekintélyét nagyban megnövelő munkásságának.

Mit ismertek fel ezeken kívül az RBS-szel az IC-technológia számára?

A korábbiakban azokat az eredményeket ismertettem részletesebben, amelyekhez közünk volt. Igaz, az a kettő kiemelkedően fontossá vált a mikroelektronikában és az RBS teljes sikerét demonstrálta. De álljon itt egy lista, amely bizonyítja, hogy az eddigiekben megrajzolt kép még szerény is. Mert a következő, szintén fontos kérdések megoldásában is kardinális szerepe volt az RBS-nek:

• Ionimplantáció témában:
  • Behatolási mélység, eloszlás mérése – itt a kis érzékenység ugyan korlátot jelentett (a SIMS jobb, de nem önkalibrált),
  • Roncsolás, rácshiba eloszlás, rácshibák kvalitatív meghatározása. Annak eldöntése, hogy fog-e kvantitatív képet látni a fáradságos mintakészítést igénylő elektronmikroszkópia?
  • Visszakristályosodás, termikus (kemence, lézer, Rapid Thermal Processing).
  • Diffúziós mechanizmus, a rácspontokon "ugráló", illetve rácsközi diffúzió megkülönböztetése.
  • A "defect engineering" megindítása.
  • Későbbi, de szép és hazai eredmény, amely a SiC félvezető kutatásában, a rezonanciák felhasználásával meg tudta különböztetni a Si, illetve C alrács hibaszerkezetét.
• Vékonyréteg-leválasztás kémiája:
  • A vékonyréteg reakcióknál keletkező fázisok, az első fázis kérdése.
  • Szilicid-képződés – a kontaktus kérdése (Mo2Si, Ni2Si, Co2Si,…).
  • Diffúziós gátak ("barrier") kérdéseinek megoldása (TiN, TaN,…).
  • Diffúzió – mozgó komponens (oxid a Si-határon nő, a szilicidek változatosan), marker kísérletek ötlete.
• Az ionsugaras keverés "mixing", mint új vékonyréteg- előállítás.
• Vékonyréteg minősítés:
  • Implantáció és vékonyréteg-vizsgálat RBS-kalibrált spektroszkópiai ellipszometriával.
  • Egy kiút az igazi roncsolásmentesség felé is: spektroszkópiai ellipszometria hitelesítése RBS+C-vel (Lohner–Fried–Petrik-iskola).

Az RBS és a többiek

Természetesen a jubileumi és a személyes lelkesedés sem mondathatja velem, hogy a tegnapi-mai mikroelektronika főleg az RBS-nek köszönheti a sikereit. Az RBS a "nem mindent verő" érzékenysége miatt ugyanis sok esetben csak előmérésként alkalmas. Kombinálni kellett például a szerkezeti kérdéseket kvantitatív módon analizálni képes módszerekkel – elsősorban az elektronmikroszkópiával, a pásztázó (SEM) és a transzmissziós (TEM), de a profilokat érzékenyen kirajzoló szekundérion tömegspektrometriával (SIMS) is.

Emellett – mint a végső választ szolgáltatni képes eljárások – az eszközök elektromos tulajdonságainak részleteit vizsgáló módszerek (töltéshordozó élettartam, áram-feszültség, kapacitás-feszültség mérése stb.) a legfontosabbak.

Miért csökkent nemcsak az RBS-, hanem az ionsugaras analitika jelentősége a mikroelektronika későbbi, pláne a nanoelektronika szakaszában?

Elsősorban az eszközméretek csökkenése, azaz a Moore-törvényként¹¹ ismert exponenciális fejlődés által támasztott igények miatt. Az implantáció során alkalmazott ionenergiák ma akár 1 keV alattiak, amelyhez ≈ 100 nm behatolás tartozik(!), a dózisok – néhány tíz-száz bóratom állítja be a kapuelektród potenciálját. Emiatt a legtöbb gyorsítós laboratóriumban már csak korlátozott relevanciát jelentő modellmintákkal lehet dolgozni. A terjedő módszer, a fókuszált mikronyaláb alkalmazása sem segít igazán, mert olyan helyi hőterhelést jelent, amely meghamisíthatja a mérés eredményét.

Van azért néhány sikeres ötlet nanoelektronikai alkalmazások terén:

• Háromdimenziós RBS-képet is lehet tomográftechnikával készíteni, ami kisebb sugárterheléssel is járhat (M. Takai, Osaka, és munkatársai, valamint Pászti Ferenc és Lohner Tivadar );
• Speciális fókuszált ionnyaláb eszközt (Focused Ion Beam) fejlesztett ki ugyancsak a Takai-iskola – szintén több kutatónk bekapcsolódásával – 100 kV körüli ionenergiát használva, ami tehát közepes energiájú ionszórás, MEIS-ként terjed. Különleges detektorokat és elektronikát igényel, ha – mint a tervek szólnak – akár egyedi atomok jeleit akarják megtalálni…

Ez nem jelenti az RBS jelentőségének egyéb területeken való csökkenését. Az a lehetőség, hogy a metodika- kombinációk, azaz az RBS, ERDA, PIXE, NRA stb. egyetlen szórókamrában is megvalósíthatók, sok területen jelent nagy előnyt. Egyre több laboratóriumban valósul meg mikronyaláb elrendezés. Hazánkban is kettő működik (ATOMKI, RMKI). Ezek nélkülözhetetlenné tették magukat például az archeológia, a muzeológia (levegőn végzett mérések), a környezetvédelmi analitika terén. Nagyobb ionenergiák új területeket nyitnak meg, főleg az NRA-alkalmazásokban, illetve a közepes energiák hozzáférhetővé tesznek szilárdtestfizikai-kémiai problémákat. Említettem, hogy vegyület-félvezetők, például SiC esetén a rezonanciák kihasználásával olyan adatokhoz lehet jutni, amelyre más módszerek esélyt sem adnak (SiC alrácsainak hibái [11]).

Enumeráció

Az írásból talán kiviláglott, hogy ez a téma beverekedte magát a KFKI sikertörténetei közé, amelyet Kótai Endre egyidejű előadása mutatott be és a cikke [12] foglal össze. Befejezésül álljon itt egy névsor, az akkori implantációs célfeladat RBS-sel is kapcsolatos csapatának neveivel, jobb híján ABC rendben – többüknek megköszönve, hogy átnézték írásom kéziratát és megjegyzéseikkel pontosították az emlékeimet:

Barna P., Battistig G., †Csepregi L., Demeter I., Fried M., Gyimesi J., Hegedűs A., Keresztes P., Keszthelyi L., N. Q. Khánh, Kótai E., Lohner T., †Manuaba A., Mezey G., Mohácsy T., Nagy T., †Pászti F., Petrik P., Polgár O., Révész P., Schiller Róbertné, Szilágyi E., Szőkefalvi-Nagy Z., Tunyogi Á., Varga L., Zolnai Zs., valamint sok doktorandusz, itthon, illetve nekem a Caltechen, Cornellen, Erlangeni FA-Egyetemen is… A segéderők közül Majthényi Lászlóné volt mindig jelen az RBS-csapat segítésére, de Erős Magda és Payer Károlyné a technológián nélkülözhetetlen tapasztalattal segített. Meg kell említeni a KFKI, ma RMKI-s gyorsítót építő, üzemeltető csapat munkatársait, legalábbis a főbb és kiemelkedőt nyújtó tagjait: Bürger G., Királyhidi L., Klopfer E., Kostka P., Pásztor E., Riedl P., Roósz J., Seres Cs., akik a legjobb Simonyi-hagyomány szerint építették, tartották üzemben a gyorsítókat, implantereket. Köszönet érte.

Végül, tágítva a kört, Jim W. Mayer professzor barátsága tette lehetővé, hogy a mikroelektronika-közeli ionsugaras témákban évtizedeken át ott lehettünk az élbolyban, majd a kapcsolatok Heiner Ryssellel (FhG Inst. Bauelementetechnologie, Erlangen) és a nyolcvanas évek közepétől Georges Amsellel (GPS d'C.N.R.S., Paris) erősítették a csapat nemzetközi elismertségét.

És mindezért köszönet a hálás utókortól, Sir Rutherford!

Irodalom

1. Gyulai J., Mezey G.: Felületek és vékonyrétegek vizsgálata MeV energiájú ionokkal. A szilárdtestkutatás újabb eredményei. 14. kötet, Szerk. Siklós T., Akadémiai Kiadó, Budapest, 1985.
2. J. A. Davies, D. P. Jackson, J. B. Mitchell, P. R. Norton, R. L. Tapping: Measurement of surface relaxation by MeV ion backscattering and channeling. Phys. Lett. 54A (1975) 239.
3. J. Gyulai, O. Meyer, J. W. Mayer, V. Rodriguez: Analysis of silicon nitride layers on silicon by backscattering and channeling effect measurements. Appl. Phys. Lett. 16 (1970) 232.
4. L. Doolittle: Algorithms for the rapid simulation of Rutherford backscattering spectra. Nucl. Instrum. Methods B9 (1985) 344.
5. E. Kótai: Computer methods for analysis and simulation of RBS and ERDA spectra. Nucl. Instr. Meth. B85 (1994) 588–596.
6. E. Szilágyi, F. Pászti: Theoretical calculation of the depth resolution of IBA methods. Nucl. Instrum. Methods. B85 (1994) 616.
7. Z. Hajnal, E. Szilágyi, F. Pászti, G. Battistig: Channeling-like effects due to the macroscopic structure of porous silicon. Nucl. Instr. and Meth. B118 (1996) 617.
8. H. Müller, W. K. Chu, J. Gyulai, J. W. Mayer, T. W. Sigmon, T. R. Cass: Crystal orientation dependence of residual disorder in As implanted Si. Appl. Phys. Lett. 26 292 (1975)
9. H. Ryssel: DE 2835121 Patent, 1980.
10. L. Csepregi, E. F. Kennedy, T. J. Gallagher, J. W. Mayer, T. W. Sigmon: Reordering of amorphous layers of Si implanted with 31P, 75As, and 11B ions. J. Appl. Phys. 48(1977)4234.
11. E. Szilágyi, N. Q. Khánh, Z. E. Horváth, T. Lohner, G. Battistig, Z. Zolnai, E. Kótai, J. Gyulai: Ion bombardment induced damage on silicon carbide studied by ion beam analytical methods. Mater. Sci. Forum 353–356 (2001) 271–274.
12. Kótai E., Szilágyi E.: Magyar innovációk a Rutherford-visszaszórási technikában. Fizikai Szemle 61 (2011) 301.

____________________________