離子注入機減速偏轉模塊設計及仿真計算研究

張 叢，李紅賽，岳 騰

(北京中科信電子裝備有限公司，北京 101111)

隨著集成電路工藝的發展，大束流離子注入機向低能量發展。由于空間電荷效應影響，低能大束流強離子束的傳輸與控制更加困難[1，2]。因此，一般通過減速模塊實現。離子束在大部分光路中處于一個比較高的能量狀態，因此空間電荷效應較弱，離子束易于控制，傳輸效率較高；進入靶室之前，離子束通過減速模塊減速至最終低能量，之后注入至晶圓中。

減速結構在實現低能大束流強離子束注入的同時也帶來了一些負面影響。減速之前部分離子與束流管道中殘余氣體發生電荷交換轉化為中性原子，其運動不受減速模塊影響，并且可能會到達注入位置，產生所謂的能量污染。能量污染會影響摻雜的分布，使摻雜深度增加，影響先進工藝中超淺結的實現。目前國際主流供應商的最新型低能大束流離子注入機均采用偏轉模塊以分離注入束流和高能量中性原子，實現消除能量污染[3-6]，并且大部分采用減速偏轉一體化設計，結構較為緊湊，有利于離子束的傳輸與控制。要指出的是，此處消除能量污染是指將能量污染控制在一定水平（例如0.05%）以下。

目前已有離子注入機的減速偏轉模塊中，單偏轉結構需前端束線傾斜或后端靶室掃描模塊傾斜，在設備維護便利性和技術復雜度等方面存在一些問題；雙偏轉結構設計較為復雜，在維護成本和便利性方面也有不足。針對上述問題，基于國內自主研發的低能大束流離子注入機，本文描述了一種結構較為簡單的減速雙偏轉模塊的設計，使用OPERA 3D軟件進行的仿真計算，其結果表明[7]，該模塊對束流具有較好的控制能力，預計在獲得低能大束流強離子束的同時可有效消除能量污染。

1 設計思路

減速偏轉模塊的設計基于國產低能大束流離子注入機CI C50。CI C50采用水平寬帶束光路，離子能量范圍為0.2～50 keV，末端離子束寬度大于360 mm，主要用于300 mm（12英寸）晶圓生產線。其光路末端、靶室之前存在減速模塊以實現低能大束流強離子束。如前文所述，此種減速結構會產生能量污染，且已有減速結構設計較為簡單，對離子束控制能力較弱，影響設備低能段性能。減速偏轉模塊將替代上述減速模塊，在有效獲得低能大流強束流的同時消除能量污染。

所設計的減速偏轉模塊如圖1所示，其中左側為離子束入口，右側為出口。減速偏轉結構首先需實現足夠的垂直方向偏轉以分離離子束與能量污染粒子；同時應具有足夠大的調節自由度，在實現預定偏轉的同時可實現離子束聚焦的靈活調節，以滿足離子束尺寸、發散角等參數的控制要求。減速偏轉模塊將采用逐級減速結構，以具備足夠的離子束調節自由度。

減速偏轉模塊將采用雙偏轉結構，即水平寬帶束經減速偏轉結構后仍為水平寬帶束，僅垂直位置發生移動。此種結構中，前端束線和后端靶室除高度略有調整外，架構保持不變，整機改進技術風險較小。

圖1 減速偏轉模塊結構示意圖

綜合考慮設備空間限制等各種因素，確定采用理想中心軌跡偏轉半徑為300 mm、單次偏轉角度為18°的結構，模塊長度小于300 mm，模塊之前產生的中性粒子不會進入靶室。

減速偏轉模塊位置將加裝冷泵，提高該區域的真空度，減少新的能量污染來源。

2 理論分析

在逐級減速結構中，由于電極數量較多，必須通過理論分析估計電極的電壓初始配置，才能提高仿真計算的效率。

考慮中心偏轉軌跡為圓弧形的偏轉結構中，假設上電極電壓為V1，下電極電壓為V2，電極間距為D，離子最終能量為Eg0，則上述參數滿足下列關系：

其中，m為離子質量，v為離子速度，R為中心軌跡半徑，q為離子電荷量，E為局部電場強度。對于離子能量近似成立：

其中，Eg為所考察位置處離子能量，根據能量守恒可得：

局部電場強度可近似為：

根據式(1)～(4)可得：

當偏轉結構確定后，D和R已確定。因此當注入離子的能量Eg0確定后，V1和V2的關系可根據上式估計。

低能大束流離子注入機中的離子能量相比于原子靜止質量極小。例如對于50 keV的B離子，其相對論因子約為1.000 005，相對論效應完全可忽略。因此上述近似的主要不確定項來自于局部電場強度近似，其準確性受電極結構影響。實際仿真計算結果表明，按上式估計的電壓提供了一個較好的近似。

3 仿真計算結果與分析

3.1 仿真計算結果的評估

減速偏轉模塊設計中使用OPERA 3D進行了仿真計算。OPERA 3D軟件廣泛應用于離子注入機領域物理設計的仿真計算，在CI C50低能大束流離子注入機研發過程中，OPERA 3D仿真結果與實驗結果表現出較好的一致性。

仿真計算中對不同設計的評估參數主要為減速偏轉模塊出口處離子束尺寸和發散角。這兩個參數考察位置的確定是一個不能忽略的問題。

離子束在非電場區域傳輸時，與殘余氣體相互作用產生低能電子，這些低能電子被束縛在離子束區域，降低了束流空間電荷效應，這個物理過程稱為離子束的中和（與離子、電子結合成原子的中性化不同）。實際上，在非電場區域內離子束的中和率接近100%，較小的非中和率即導致離子束急速擴散。在電場區域，離子束中和被破壞，表現出明顯的空間電荷效應。

仿真計算中考慮了離子束的空間電荷效應。當離子束通過減速偏轉模塊進入靶室后逐漸恢復中和，如果之后的仿真中繼續考慮完全的空間電荷效應，則仿真計算的結果與實際情況存在明顯偏差，如圖2所示。因此在仿真計算中選取離子束中心電勢變為正的位置考察發散角，在此位置處離子束形成的勢場開始束縛中和電子，離子束中和逐漸恢復。圖3展示了上述某一位置處的離子束區域電勢分布。

圖2 由于未考慮離子束進入靶室后的中和離子束在仿真中末端呈現急速發散

圖3 靶室入口某一位置處離子束區域空間電勢分布

仿真計算中，對于同一減速偏轉模塊設計和參數配置，不同離子束入射參數對應的出口離子束參數差別很大。因此，針對同一減速偏轉模塊設計，在仿真計算中考慮了多種離子束入射參數進行仿真計算，相應減速偏轉電極電壓配置也進行優化，重點對比不同減速偏轉模塊設計對離子束的控制能力，而非具體的出口離子束參數。實際使用中，減速偏轉模塊入口離子束參數可通過前端光路部件進行調節。

3.2 基本仿真計算結論

對桿狀、板狀、弧面等不同電極形狀的設計進行了仿真計算，結果表明，電極形狀對離子束控制影響不大。上下兩側固定方式可避免離子束對絕緣部件的影響，考慮到板狀電極更容易實現上下兩側的固定，確定采用板狀電極。電極靠近離子束一側是否為弧面對離子束控制基本無影響。

對不同電極數量的設計進行了仿真計算，結果表明6對電極即可提供所需的離子束控制能力，更多的電極數量會降低仿真計算和實際調試的效率。典型的仿真計算結果如圖4所示。

圖4 典型的減速偏轉模塊仿真計算結果

采用上電極為正、下電極為負的雙極性電壓配置可降低高能離子束偏轉所需的電源電壓幅值和功率需求，但低能離子束的減速偏轉必須通過上下電極均為負的電壓配置實現。考慮低能離子束為關注的重點，兼顧成本和空間考慮，減速偏轉模塊將僅使用負極性電源。

3.3 屏蔽電極的影響

理想情況下，靶室區域的電勢應為0或較小的正值（離子束產生）。在減速偏轉模塊工作時，其電極上的負電勢可能導致靶室入口區域電勢為負值，產生所謂的電場泄露，影響其它模塊，例如PFG（Plasma Flood Gun）的正常工作。因此，有必要在減速偏轉模塊末端、靶室入口位置加裝一屏蔽電極，屏蔽電極保持為地電位，可有效減少減速偏轉模塊的電場泄露。

屏蔽電極將明顯影響減速偏轉模塊末端的電場分布，當離子束最終能量較低時，該電場將對離子束有明顯的聚焦作用，影響最終的離子束參數。

屏蔽電極的間隙將影響電場泄露的程度，也將影響對離子束聚焦作用的強弱。因此在減速偏轉模塊的設計中，將屏蔽電極間隙設置為可調節。根據不同束流能量和電極電壓配置調節屏蔽電極間隙以滿足電場泄露的要求，同時提供了控制離子束的一個額外的自由度。針對不同入射離子束參數，對于不同形狀和厚度的屏蔽電極進行了仿真計算，典型結果如圖5、圖6所示。仿真計算結果表明，20 mm的板狀電極即可提供較好的電場屏蔽。

圖5 40 mm間隙、20 mm厚度的屏蔽電極對應的靶室某一位置空間電勢分布

圖6 40 mm間隙、10 mm厚度的屏蔽電極對應的靶室某一位置空間電勢分布

3.4 不同電壓配置的影響

對于同一減速偏轉模塊設計，基于相同的入口離子束參數，有不同的電壓配置可滿足出口離子束參數要求。實際選擇電壓配置時應考慮盡量降低可能的能量污染影響。如圖7所示，線性和非線性遞減的電壓配置均可以將出口離子束參數控制在預定范圍之內。但在非線性遞減情況下，末端更接近最終能量，此位置產生的極少量能量污染對注入的影響更小。

圖7 兩種不同的電極電壓配置，橫坐標為電極對編號，縱坐標為每一對電極平均電勢（絕對值）

3.5 水平聚焦電極的影響

空間電荷效應導致離子束在水平方向也存在發散，有限電極長度導致的邊緣場對離子束水平方向參數也存在影響，因此在減速偏轉模塊中必須考慮水平聚焦。容易想到在每對減速偏轉電極兩側的中間位置加裝一對電極實現水平聚焦，但此種結構所需電極和電源數量較多。仿真計算表明在兩個位置加裝水平聚焦電極即可實現足夠的水平聚焦效果，如圖8、圖9所示。與前一方案相比，該設計所需電極及電源數量更少，結構更為簡單，成本也更低。

圖8 水平聚焦電極位置示意

圖9 第一對水平聚焦電極聚焦效果

4 結 論

針對集成電路先進工藝需求，基于國產低能大束流離子注入機，本文展示了一種消除能量污染的減速偏轉模塊設計及相關的仿真計算結果。使用行業廣泛應用的OPERA 3D軟件進行了仿真計算，理論分析為仿真計算中電壓配置提供了一個較好的初始值選擇。減速偏轉模塊采用電場雙偏轉逐級減速結構。采用6對偏轉電極實現垂直方向離子束偏轉和聚焦控制，每一電極電壓均可獨立控制，提供了較大的離子束控制自由度。模塊末端采用可調間隙的屏蔽電極，在有效屏蔽電場向后端靶室區域泄露的同時提供了對離子束調節的又一自由度。離子束水平方向聚焦由兩對水平聚焦電極實現。仿真計算結果顯示，所設計的減速偏轉模塊具有足夠的離子束控制能力，與前端光路部件配合可實現對不同入射參數離子束的有效減速和偏轉。

[1] S.Humphries，Jr.Charged Particle Beams[M].New York：Dover Publication，Inc.，2013，Chapter 5.

[2] D.A.Brown and J.F.O'Hanlon.Space-charge divergence of an intense，unneutralized rectangular ion beam[J].Physical Review E.1993，48(1)：523-531.

[3] C.Campbell et al.VIISta Trident：New Generation High Current Implant Technology[C].Valladolid：19th International Conference on Ion Implantation Technology，2012，296-299.

[4] Bo Vanderberg et al.Introducing Purion H，a Scanned Spot Beam High Current Ion Implanter[C].Portland：20thInternational Conference on Ion Implantation Technology，2014，482-485.

[5] Noriyuki Suetsugu et al.SAion-SEN's Unique Solution for 450 mm Ion Implant[C].Portland：20thInternational Conference onIonImplantation Technology，2014，157-160.

[6] Peter M.Kopalidis et al.Ribbon and Spot Beam Process Performance of the Dual Mode iPulsar High Current Ion Implanter[C].Kyoto：18thInternational Conference on Ion Implantation Technology，2010，337-340.