离子注入机离子束生成系统的原理及维修

文黎波，张海明，王秀海，赵英伟

( 中国电子科技集团公司第十三研究所， 河北石家庄 050051)

半导体掺杂技术作为半导体制造的基本工艺之一，对集成电路的性能具有重要的影响。离子注入技术是将要掺杂的物质进行电离，通过加速、分析、聚焦等将正离子分离并射入晶片内部。与传统的扩散技术相比，离子注入技术具有无需高温环境、剂量控制精度高、均匀性好、时间短、可使用掩膜类型多、横向扩散小等优点，已基本取代了扩散成为最主要的掺杂工艺[1]。

离子注入机是实现离子注入的设备，离子束生成系统用于产生并引出正离子，是离子注入机的核心部件[2]。相对于其它部件，离子束生成系统使用环境较为恶劣，故障率较高。作为集成电路生产线关键设备，离子注入机一旦出现故障，整条生产线都会跟着停摆，所以掌握此类设备维修技术以快速定位并解决故障就显得尤为重要。国内关于离子注入机维修技术的相关技术文章较少，因此，对其故障诊断与维修技术的研究具有一定的意义。

1 离子注入机的整体结构

离子注入机利用特定离子对晶片特定部位进行特定深度的注入，实现栅阈值调整、Halo 注入、源漏极的形成、多晶硅栅极的掺杂、N/P 阱形成、倒掺杂阱形成等。其结构主要包括源气体供给系统、离子源、吸极、质量分析器、加速管、扫描系统和靶室，如图1 所示。源气体供给系统为离子源提供杂质源，离子源将杂质源电离形成等离子体从而产生所需的离子，吸极用于将正离子从等离子体中引出并加速，利用质量分析器对加速后的离子进行筛选，只有特定质荷比的离子可以通过，而后利用加速管对离子进行后加速，扫描系统用于将离子均匀地分布于晶片内，最后离子进入靶室完成晶片的离子注入。离子束生成系统包括源气体供给系统、离子源、吸极及其相关的电源、控制电路等，是离子注入机的核心部件之一。

图1 离子注入机整体结构示意图

2 离子束生成系统的结构与工作原理

2.1 源气体供给系统

源气体是提供掺杂离子的工艺气体，源气体通常储存在高压钢瓶内，通过阀门和管道通入离子源内被电离形成等离子体。图2 所示为典型的源气体供给系统示意图，该系统包含3 组源气体供给管路，源气体储存于高压钢瓶内，依次在气瓶顶阀、高压力表、减压阀、低压力表、气动阀、针阀和源气体隔离阀的控制下进入离子源，其中减压阀用于调节进入离子源的气体压力，气动阀用于选择源气体类型，针阀用于控制气体流量，源气体隔离阀用于开启或关闭源气体供应。利用热偶规监测进入离子源气体管路的真空度。

图2 典型的离子束生成系统示意图

2.2 离子源

离子源是使中性原子、分子或原子团蔟电离并从中引出离子束的装置，离子注入机常见的离子源有Bernas 和IHC 两种。

Bernas 和IHC 均属于电子碰撞型离子源，其基本原理是电子碰撞气体分子使之电离形成等离子体，通过施加电场使得正离子从离子源中加速引出。Bernas 离子源结构示意图如图3 所示，包括放电室、吸极、电源、供气系统、磁铁等组成，利用螺旋型灯丝加热产生电子，弧室外壁与灯丝间施加起弧电压加速电子运动，整个放电室置于一外加磁场中，灯丝发射的电子同时在起弧电压、灯丝电流产生的磁场和外加磁场的作用下进行复杂的螺旋运动，从而大大增加电子的运动轨迹，提高电子与气体分子碰撞几率[3]。Bernas 离子源在弧室与灯丝相对的位置设置了一块反射板，用于反射电子，进一步增加了电子运动轨迹。放电室与吸极之间施加强电场，一般为数万电子伏，正离子从放电室与吸极中心的圆孔或狭缝中被引出。

图3 Bernas 离子源结构示意图

间热式阴极（Indirectly Heated Cathode，IHC）离子源是在Bernas 离子源的基础上进行改进的，IHC 离子源与Bernas 离子源的区别是前者增加了一个阴极，灯丝被该阴极包围在放电室外，其结构示意图如图4 所示。热灯丝发出电子与阴极碰撞从而加热阴极使阴极向放电室发出电子，电子在弧压、磁场和反射板的作用下螺旋运动，与杂质原子碰撞电离形成等离子体。灯丝与阴极之间施加偏置电压，电子在偏压的作用下加速运动，最终撞击到阴极的背面，电子的动能转化为阴极的热能。由于灯丝不与等离子体直接接触，避免了灯丝被放电室正离子轰击，提高了灯丝使用寿命，延长了离子源维护周期[4]。

图4 IHC 离子源结构示意图

2.3 吸极

吸极即引出电极，用于将正离子从放电室中引出并加速，为了优化离子束的轨迹，吸极电极通常可以改变位置。吸极电极与放电室之间通常设置负电位的抑制电极，可防止二次电子回流进离子源而造成离子源工作不稳定。

图5 所示为典型的离子束生成系统电源示意图，主要包括灯丝电源、起弧电源、吸极电源、源磁场电源和抑制电源。灯丝电源采用大电流恒流源来加热灯丝。起弧电源施加电压于灯丝和放电室之间，引起弧光放电，其电流与放电室内等离子体密度成正比。吸极电源在放电室和吸极电极之间建立强电场，其电流与离子束流成正比。源磁场电源为磁铁提供电流建立磁场，抑制电源为抑制电极建立负电位。离子束生成系统处于高压端，以后加速电压为参考地，可高达数十万伏，设备通过隔离变压器对其进行供电，为了进行电气隔离，控制台与离子束生成系统通常采用光纤通信[5]。

图5 离子束生成系统电源示意图

随着使用时间和强度的增加，离子束生成系统的吸极会由于绝缘柱脏污、去离子水电导率过高、真空度过低等原因而出现“打火”现象；源气体供给系统会由于气动阀门或针阀故障等原因出现无法起弧、无束流或弧室真空度明显降低等现象。离子源生成系统三大组成部分构成一个相互关联的工作系统，一个故障现象可能包含若干种可能原因，一个部件的故障也会导致多种现象，这在一定程度上增加了维修此类设备的难度。

3 常见故障与排除

在统计近5 年离子注入机故障的基础上，对离子束生成系统每种故障的几种可能原因与相应的处理方法进行归纳与总结，如表1 所示。电源与电路板级故障根据离子注入机厂商与型号的不同有所区别，此处不进行详细说明，仅给出故障排查方向。

4 结束语

离子注入机结构复杂，包括机械系统、电气系统、真空系统、气动系统、加热与冷却系统等，其部件繁多，维修和保养较为频繁。对离子束生成系统的维修应在熟练掌握其结构与工作原理的基础上，对以往发生过的故障进行统计，对每种故障现象的可能原因进行总结分析，以便对未来故障进行快速诊断和维修。

表1 离子束生成系统的常见故障与处理方法