中束流离子注入机

M/C离子注入机

§1. 概述

在半导体行业中，离子注入的机台主要分为高能量（H/E），大束流（H/C），中束流（M/C）三种。这里主要介绍的是中束流的离子注入机台。

中束流机台（Medium Current）一般是单个晶片进行注入，注入的剂量一般在1E11到1E14之间，而能量则在5kev到200kev 之间。

我们经常用到的4种离子为：

1．B 12Kev 1.6E12 30μA

2．B 185Kev 2.254E13 156μA

3．P 20Kev 6E13 850μA

4．As 200Kev 2.7E12 50μA

§2. M/C机台介绍

2.1型号

我们常见的M/C型机台是Nissin公司生产的Exceed2000AH型，另外还有Axcelis公司生产的NV-8250型和Varian 公司的EHPi 500型。下面给出的是Nissin 的Exceed2000AH的外观图

机台的基本情况为： 3200W * 6385L * 2600H

重量为17，500Kg, 地板承受的压力为1000Kg/m2

其中，控制面板如图所示。

2.2工作原理

离子植入的基本原理就是把气体或固体源的原子离子化，然后对离子进行选择，把所需的离子进行加速，达到所需的能量，注入到硅片中的过程。

下面就是整个机台的俯视图，主要分为End Station, Beam Line, Ion Source三个大的部分。

2.3主要部件

2.3.1 离子源（Ion Source）。

因为我们要注入的杂质是有一定的能量的，所以必须对杂质进行加减速，而只有带电微粒才能在电场的作用下加减速，因此要使杂质离子化。离子源就是用电子撞击气体分子，得到我们所需要的离子的部件。离子源包括Arc chamber 和Extraction electrode 系统。

1．Arc chamber.

Arc chamber 是利用灯丝加热，放出电子，然后电子撞击通入的气体分子，

得到离子。通常在chamber上安装磁铁，使电子在磁场中螺旋运动，增加运行轨迹，使电子撞击的机率增大。

下图是Arc chamber 的结构示意图：

图中的Reflector上有负的电位，这样就不会吸收电子，减少电子到达的机会，就能够因碰撞而产生更多的离子。

2．Extraction electrode

离子产生以后，我们必须把它从Arc chamber 中吸取出来，因此在Arc chamber

上加40kv的正电压，Extraction electrode 系统的另一端接地，这样正离子就从Arc

chamber 的窗口中被吸出来，获得40kv的能量。

离子撞在接地的electrode上，会产生电子，在电场的作用下撞击Arc chamber，会损坏Arc chamber和产生X-ray，为防止这种现象，我们在chamber 和接地的electrode之间加上一个-2kv的suppression electrode，来收集电子。

Extraction electrode 的结构如图所示：

因此，Arc chamber, Suppression electrode 和Grounded electrode各处的电势可以用下图进行表示。

2.3.2 法拉第系统（faraday cup system）

上图是几种法拉第系统的外观图。

在M/C的机台中，法拉第系统是比较多的，常用到的有FEM法拉第，Dose 法拉第，Front法拉第和Back法拉第。

法拉第系统中用一个Faraday Cup用来接收离子束，然后用导线接地，接收

到一个离子，就会有一个电子来中和，我们测出流过的电子数，就可以知道离子数。在Faraday Cup上要加磁场，是离子束中的电子不能进入Faraday Cup, 而离子撞击Faraday cup产生的电子又出不去，这样就保证了测量的准确性。

2.3.3磁场分析

因为从Arc chamber 里吸取出来的离子并不都是我们想要的,所以我们就利用磁场来做分析.带电离子在磁场中会受到力的作用发生偏转,不同的荷质比,偏转的角度就回不一样.

R = √ (2mE)/qB

= √ (2mV/q)/B

质量 m; 电荷 q; 能量 E;

吸取电压 V; 磁场强度 B.

其中m/q 的不同,离子在磁场中的偏转半径不同. M/q 大的离子半径大, 在同样的磁场中偏转的角度不够,m/q 小的离子偏转半径小,偏转角度过大,我们调节磁场的大小,就可以使只有我们所需要的离子才能通过磁场,这样就不会对硅片造成污染.

与其他两种机台不同的是中束流机台在加速前后都有磁场分析，分别称为SAM 和FEM，即离子源分析磁场（Source Analyzer Magnet）和能量分析（Final Energy

Magnet）

这样，即使因误差很小，在SAM没有被分离出来的杂质，经过加速后，误差被放大，在FEM处也会被分离出来，不会造成污染。

2.3.4 MASS SPECTRUM AND MASS RESOLUTION

Calculation of mass resolution:

m/dm = B P/2(B H–B L)

+

L P H

在离子束通过磁场的时候，进行测量分析，我们通常使用质谱法。

r = (2MV/q)1/2/B

所以， B = (2MV/q)1/2/r

如果我们得到B P = 4100

B L = 4086

B H = 4106

则m/dm = 4100/2(4106 –4086) = 102.5

2.3.5 聚焦 (Focus)

我们得到的离子束是带正电的，由于电荷间相互力的作用，会使得离子束到最后越来越发散，不能正常的注入，所以我们必须进行聚焦。

1.磁场聚焦

在一般的机台中磁场只起到分析的作用，但在M/C机台中对磁场进

行调整，以起到聚焦的作用。

离子束经过磁场的时候，受到磁场力的作用，会发生偏转，我们适当改变磁场的形状，就会是从磁场出来的离子束既达到选择，又达到聚焦的效果。

如图，由于磁场两极不平行，离子束会受力向中间聚拢，达到聚焦的效果。

2.加速电场聚焦。

除了经过磁场的时候会聚焦以外，离子束在加速电场里也会聚焦。

上图是加速管的外观图，在加速管中，离子束受到电场力的作用，具体受力情况如下，

如图，在离子束被加速的过程中，由于受到电场力的作用，离子在

被加速的同时，还受到压缩力的作用，即加速电场也有聚焦的作用。

2.3.6 加速/减速装置

因为离子经过Extraction electrode 所获得的能量并不一定就是我们

最后所需要的能量，还应该经过加速或减速装置来增加或减少能量。离子带正电，由电势高的地方出发，到达电势低的地方，就会速度增加，能量上升，反之亦然。M/C注入的能量一般在5-200KeV左右。

加速装置是由几组电极组成，电位从高到低，离子束经过，在电场力的作用下被加速，使离子获得我们所需要的能量。减速装置的情况刚好相反。由于我们所需要的能量一般都是很高的，所以只能用几组电极分几段来加速，这样使离子束不断变快。

由此，我们可以得到离子束在整个过程中能量的变化情况。，用下面的示意图来表示。

Source Extraction Accel

2.3.7 扫描系统

在前面的系统中，我们都称为离子束，但是我们希望打到硅片上的是一条线，可以减少硅片的机械运动，因此，需要用一个扫描系统

Positive pole

如图采用电扫描，在上下两快极板上接电压，离子受到电场的作用发生偏转，我们可以改变极板上的电性，使得离子可以偏向不同的角度，以达到扫描的效果。

2.3.8 准直器

在离子经过扫描系统后，由于机台设计的原因，离子束并不是正对着晶片，我们要用一个装置改变离子束的方向，类似与光学里的棱镜一样，我们用一个磁场来实现。

2.3.9 PFG 系统。

Ion beam

Reflector

上图是PFG系统的简单示意图。

我们从磁场分析后的离子主要是带正电的离子，由于电荷的排斥力，离子束会越来越发散，不能满足要求，所以就要用到PFG。PFG(Plasma Flood Gun) 是利用灯丝发出电子，撞击充入的Xe, 形成Plamsa，用-5V的电压将电子吸出，加入到Beam里面，使得离子束不会发散。

PFG的另一个作用是发出的电子随离子束达到晶片表面后，与离子所带的电荷发生中和，使得晶片表面呈现电中性。

2.3.10End Station

M/C机台一般是单晶片注入，所以没有其他机台所需的Disk, 由Transfer Robots 将晶片从Wafer Cassette 里传到Target Chamber, 晶片在Target Chamber被固定，偏转，完成最后的注入。

2.3.11Dose 控制

我们在离子注入的时候，需要控制Dose 量，而现在只能通过Dose法拉第先测出离子束的大小，然后根据需要注入的量来算出注入的时间。而M/C注入机可以用Front 法拉第和Back法拉第来测出某一时刻离子打在晶片的什么地方。如图是前后两个法拉第的示意图。

我们可以用数学的方法来计算，

Zf Zb

由图，我们可以得出以下结论：

tan θ= (Xb – Xf)/ (Zb – Zf)

这样就可以得到此时离子注入在晶片的什么位置。

§3 总述

离子注入是半导体工艺里很重要的一环，同时，由于机台内部很多地方是高压，而且有很毒的气体和强的磁场，另外还有X 射线的辐射，所以要求我们在操作的时候，要严格按照操作规范，保护好自己的人身安全。晶片在经过离子注入以后，需要进行快速热退火处理。