中束流离子注入机工艺实现原理

张耀庚，刘德实

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

所有的离子注入机在许多方面都是相似的。每一台都要求必须维持内部机械条件为高真空(接近真空)，因为离子不能在大气下存在。决大部分都利用电场进行离子加速，因此注入机都需要用高压来建立并维持电场。所有注入机都利用扫描的方式来确保均匀注入硅片，不管是固定硅片前后移动离子束还是固定离子束前后移动硅片都是同样目的，都称为扫描。另外，所有的注入机都能够传送硅片从机器外到注入发生的区域，并在注入结束后将硅片取出。系统之间的不同只是采用不同的手段达到同样的注入功能。

2 离子生成

注入机的核心是离子源，在那里离子被产生。在电场下起弧的灯丝产生自由电子在起弧室内使气体分子电离，失去电子的气体分子变成正离子。这个过程在起弧室内生成电离粒子云团，成为等离子体状态气体分子，从起弧室左边的管道进入，自由电子从灯丝产生，与进入到起弧室内的气体分子发生碰撞，结果气体分子丢失负离子。任何带正电荷的粒子都叫正离子，它们用来成为加速离子。离子是被电场加速的，这种电场存在于吸极电压和加速/减速电压之间。电离的分子通过起弧室的缝隙，进入电场并接受最初的加速。

灯丝电流影响着灯丝发出自由电子的数量，当灯丝使用时间长后，在同样的灯丝电流下更容易放射电子，因此想要达到同样多的自由电子，就要降低灯丝电流。

起弧电压为电离过程提供能量，并形成一个电场。通常，起弧电压影响等离子体的能量，在一定范围内，它的功能类似于灯丝电流。起弧电压也可以考虑作为等离子体密度的一项指标。

源材料(气体)被送入起弧室用于生成想要的离子。气体的压力可作为影响离子源操作的主要参数。

连续的离子流从起弧室内被提取(加速)，是由于吸极电压的作用，通常有20KV。这种电压及因此产生的电流由控制/监视部分监视。这种电流也可以考虑作为从离子源中提取的离子数量的一个参数。

3 质量分析

经过提取的离子束(一种许多不同原子质量的混合)被分离成许多离子束，每一种有不同的质量，这种技术叫质量分析。

质量分析是通过调节分析磁场的磁场强度来完成的。磁场强度是质量分析系统的一个可变参数，它依靠控制/监视部分的控制和监视。分析磁场的电流也可以被监视。

4 离子束快门和可变孔阑

离子束快门可用来阻止经质量分析后的离子束，可用来打开或关闭离子束，这样只有适当数目的离子被允许到达硅片。类似于照相机的快门用来允许或阻止光到达底片的作用，离子束快门用来允许或阻止离子到达加速管。可变孔阑作为一个附加功能被合并到离子束快门装置中，用来调整闸门开启的百分比。

5 加速

质量分析后，由于高压电源(HVPS)的作用，离子束被加速管中的电场提供加速并达到最终的能量。离子束的速度(能量)足够离子进入另一个材料，离子进入材料的分子结构，被称为已经注入。离子进入材料的深度直接取决于附加在离子上的能量。同样原子质量的每一个离子被赋予的总能量(KeV)是离子所经历的所有电压水平改变的总和:即吸极电压和高压的和(最大200KeV)。高压电源电流可被看作是将要进入加速管的被分析完毕的离子的数目。

6 离子束聚焦

经过最终的加速后，离子束被一个叫做quadrupole的器件聚焦(相当于一束光被透镜聚焦)。聚焦减少了离子束被传到注入位置时的束流损失，同时对注入的均匀性也有贡献。用于聚焦的控制部分位于Beam Monitor(BM，束流显示)，包括水平轴和纵轴控制，每一个都可独立地从零变化到最大。最大值的设定同能量设定的控制相关，这种关系叫

Energy Tracking。

对离子束的聚焦与对一束光聚焦的不同之处在于:对离子束在水平方向的聚焦会影响其在垂直方向的聚焦，反之也是如此。因此，离子束的聚焦要在水平和垂直两方向同时进行。

7 离子束扫描与偏转

为了在硅片上完成最均匀的注入，扫描系统移动离子束在水平和垂直方向扫过硅片。在一个典型的10 秒钟的注入过程中，离子束大约扫过硅片4000 次。没有两次相同路径的扫描，由于平均混合，所有不规则的影响均被消除。其他可能影响均匀性的物理和几何因素也都被数字扫描系统所补偿，包括由于硅片翘曲所引起的不均匀性。扫描振幅控制位于束流显示的前面板，所允许的最大扫描振幅也由Energy Tracking 功能控制。

8 束流显示

由于聚焦、扫描、调中和偏转这些参数都是相关的，因此对它们的操作是互相关联的。对任一参数的调整都可能影响其他的参数。为了简化操作，机器有一个实时的离子束显示，它为离子束提供了定量和定性的描述。离子束显示包括一个离子束波形曲线，可由操作者继续控制调整并判断最终结果，因此即可忽略各个参数控制间的互相影响。在实际操作中，通过调整聚焦、扫描、偏转来得到一个标准的波形，这是解决这一问题的有效方法。离子束扫描信号在水平方向会得到扫描轨迹，一个信号引起一条轨迹。不同位置的扫描引起不同的轨迹，经过多次扫描得到的最终图形是束流对扫描位置的一个图形。如图1 所示。

图1 扫描束流波形图

9 真空系统

离子存在的首要条件是高真空。注入机内部必须维持高真空条件。在一个典型的抽真空过程中，首先从大气抽到中度真空，这叫ROUGH(低真空)，这一过程由机械泵完成。当低真空达到后，另一种高真空泵开始继续工作直至达到设定的真空值。

中束流注入机在离子源区域使用扩散泵来维持高真空。扩散泵是一种持续工作的高真空泵，它依靠在油的喷雾中俘获分子来工作。油雾靠对油的加热获得，通过一个特别设计的喷嘴喷出。油雾及其俘获到的粒子被放在一个由油雾与高真空隔离成的一个区域内，由于俘获分子的集中，这个区域内的压力会升高，当压力升高到一定水平时，机械真空泵被允许工作来抽走这些俘获到的分子。这个过程的结果是油喷雾区上方的区域的原子被不停的抽走，从而使这一区域达到高真空。

用来移走收集到的物资的机械泵叫做前级预抽真空泵，它负责的工作区域叫foreline(前级管道)。前级真空指标是扩散泵性能的注入指标。

这个泵的附件是一个入口隔离板，用来收集可能从扩散泵中溢出的油，并有一个持续工作的油过滤系统来保持机械泵内部的清洁。扩散泵的工作由控制系统自动执行，也可由操作者半自动控制。

第二种高真空泵是低温真空泵(冷泵)。冷泵的工作是捕获并保持进入并接触其内部表面的分子。这些冷泵的内部表面温度非常低(接近绝对零度)，能够抓住和保持那些进入并接触它们的分子。冷泵工作的必需条件是其用于冷却的主要部分，即以氦气为致冷剂的压缩机。冷泵并不是持续工作的，每个泵只能保持一定数量的分子并仍然保持低温。因此，冷泵必须定时清洁。

［1］NV6200 ion implantion system operator manual［Z］.美国:益腾公司，1986－9.

［2］关东旭.硅集成电路工艺基础［M］.北京:北京大学出版社，2008.

［3］Petervanzant(美国)著.半导体工艺制造［M］.韩郑生，赵树武，译.北京:电子工业出版社，2010.