中束流離子注入機工藝實現原理

張耀庚，劉德實

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

所有的離子注入機在許多方面都是相似的。每一臺都要求必須維持內部機械條件為高真空(接近真空)，因為離子不能在大氣下存在。決大部分都利用電場進行離子加速，因此注入機都需要用高壓來建立并維持電場。所有注入機都利用掃描的方式來確保均勻注入硅片，不管是固定硅片前后移動離子束還是固定離子束前后移動硅片都是同樣目的，都稱為掃描。另外，所有的注入機都能夠傳送硅片從機器外到注入發生的區域，并在注入結束后將硅片取出。系統之間的不同只是采用不同的手段達到同樣的注入功能。

2 離子生成

注入機的核心是離子源，在那里離子被產生。在電場下起弧的燈絲產生自由電子在起弧室內使氣體分子電離，失去電子的氣體分子變成正離子。這個過程在起弧室內生成電離粒子云團，成為等離子體狀態氣體分子，從起弧室左邊的管道進入，自由電子從燈絲產生，與進入到起弧室內的氣體分子發生碰撞，結果氣體分子丟失負離子。任何帶正電荷的粒子都叫正離子，它們用來成為加速離子。離子是被電場加速的，這種電場存在于吸極電壓和加速/減速電壓之間。電離的分子通過起弧室的縫隙，進入電場并接受最初的加速。

燈絲電流影響著燈絲發出自由電子的數量，當燈絲使用時間長后，在同樣的燈絲電流下更容易放射電子，因此想要達到同樣多的自由電子，就要降低燈絲電流。

起弧電壓為電離過程提供能量，并形成一個電場。通常，起弧電壓影響等離子體的能量，在一定范圍內，它的功能類似于燈絲電流。起弧電壓也可以考慮作為等離子體密度的一項指標。

源材料(氣體)被送入起弧室用于生成想要的離子。氣體的壓力可作為影響離子源操作的主要參數。

連續的離子流從起弧室內被提取(加速)，是由于吸極電壓的作用，通常有20KV。這種電壓及因此產生的電流由控制/監視部分監視。這種電流也可以考慮作為從離子源中提取的離子數量的一個參數。

3 質量分析

經過提取的離子束(一種許多不同原子質量的混合)被分離成許多離子束，每一種有不同的質量，這種技術叫質量分析。

質量分析是通過調節分析磁場的磁場強度來完成的。磁場強度是質量分析系統的一個可變參數，它依靠控制/監視部分的控制和監視。分析磁場的電流也可以被監視。

4 離子束快門和可變孔闌

離子束快門可用來阻止經質量分析后的離子束，可用來打開或關閉離子束，這樣只有適當數目的離子被允許到達硅片。類似于照相機的快門用來允許或阻止光到達底片的作用，離子束快門用來允許或阻止離子到達加速管。可變孔闌作為一個附加功能被合并到離子束快門裝置中，用來調整閘門開啟的百分比。

5 加速

質量分析后，由于高壓電源(HVPS)的作用，離子束被加速管中的電場提供加速并達到最終的能量。離子束的速度(能量)足夠離子進入另一個材料，離子進入材料的分子結構，被稱為已經注入。離子進入材料的深度直接取決于附加在離子上的能量。同樣原子質量的每一個離子被賦予的總能量(KeV)是離子所經歷的所有電壓水平改變的總和:即吸極電壓和高壓的和(最大200KeV)。高壓電源電流可被看作是將要進入加速管的被分析完畢的離子的數目。

6 離子束聚焦

經過最終的加速后，離子束被一個叫做quadrupole的器件聚焦(相當于一束光被透鏡聚焦)。聚焦減少了離子束被傳到注入位置時的束流損失，同時對注入的均勻性也有貢獻。用于聚焦的控制部分位于Beam Monitor(BM，束流顯示)，包括水平軸和縱軸控制，每一個都可獨立地從零變化到最大。最大值的設定同能量設定的控制相關，這種關系叫

Energy Tracking。

對離子束的聚焦與對一束光聚焦的不同之處在于:對離子束在水平方向的聚焦會影響其在垂直方向的聚焦，反之也是如此。因此，離子束的聚焦要在水平和垂直兩方向同時進行。

7 離子束掃描與偏轉

為了在硅片上完成最均勻的注入，掃描系統移動離子束在水平和垂直方向掃過硅片。在一個典型的10 秒鐘的注入過程中，離子束大約掃過硅片4000 次。沒有兩次相同路徑的掃描，由于平均混合，所有不規則的影響均被消除。其他可能影響均勻性的物理和幾何因素也都被數字掃描系統所補償，包括由于硅片翹曲所引起的不均勻性。掃描振幅控制位于束流顯示的前面板，所允許的最大掃描振幅也由Energy Tracking 功能控制。

8 束流顯示

由于聚焦、掃描、調中和偏轉這些參數都是相關的，因此對它們的操作是互相關聯的。對任一參數的調整都可能影響其他的參數。為了簡化操作，機器有一個實時的離子束顯示，它為離子束提供了定量和定性的描述。離子束顯示包括一個離子束波形曲線，可由操作者繼續控制調整并判斷最終結果，因此即可忽略各個參數控制間的互相影響。在實際操作中，通過調整聚焦、掃描、偏轉來得到一個標準的波形，這是解決這一問題的有效方法。離子束掃描信號在水平方向會得到掃描軌跡，一個信號引起一條軌跡。不同位置的掃描引起不同的軌跡，經過多次掃描得到的最終圖形是束流對掃描位置的一個圖形。如圖1 所示。

圖1 掃描束流波形圖

9 真空系統

離子存在的首要條件是高真空。注入機內部必須維持高真空條件。在一個典型的抽真空過程中，首先從大氣抽到中度真空，這叫ROUGH(低真空)，這一過程由機械泵完成。當低真空達到后，另一種高真空泵開始繼續工作直至達到設定的真空值。

中束流注入機在離子源區域使用擴散泵來維持高真空。擴散泵是一種持續工作的高真空泵，它依靠在油的噴霧中俘獲分子來工作。油霧靠對油的加熱獲得，通過一個特別設計的噴嘴噴出。油霧及其俘獲到的粒子被放在一個由油霧與高真空隔離成的一個區域內，由于俘獲分子的集中，這個區域內的壓力會升高，當壓力升高到一定水平時，機械真空泵被允許工作來抽走這些俘獲到的分子。這個過程的結果是油噴霧區上方的區域的原子被不停的抽走，從而使這一區域達到高真空。

用來移走收集到的物資的機械泵叫做前級預抽真空泵，它負責的工作區域叫foreline(前級管道)。前級真空指標是擴散泵性能的注入指標。

這個泵的附件是一個入口隔離板，用來收集可能從擴散泵中溢出的油，并有一個持續工作的油過濾系統來保持機械泵內部的清潔。擴散泵的工作由控制系統自動執行，也可由操作者半自動控制。

第二種高真空泵是低溫真空泵(冷泵)。冷泵的工作是捕獲并保持進入并接觸其內部表面的分子。這些冷泵的內部表面溫度非常低(接近絕對零度)，能夠抓住和保持那些進入并接觸它們的分子。冷泵工作的必需條件是其用于冷卻的主要部分，即以氦氣為致冷劑的壓縮機。冷泵并不是持續工作的，每個泵只能保持一定數量的分子并仍然保持低溫。因此，冷泵必須定時清潔。

［1］NV6200 ion implantion system operator manual［Z］.美國:益騰公司，1986－9.

［2］關東旭.硅集成電路工藝基礎［M］.北京:北京大學出版社，2008.

［3］Petervanzant(美國)著.半導體工藝制造［M］.韓鄭生，趙樹武，譯.北京:電子工業出版社，2010.