瓦利安离子注入机工作原理

第三部分原理

瓦利安半导体设备有限公司

VIISta HCS

目录

章节章节编号

原理介绍…………………………………………………………………E

控制原理………………………………………………---………………E

离子注入操作原理………………………………………………………E

介绍

VIISta HCS型高束流离子注入机是高自动化的生产工具。此离子注入机可以将单一离子类别掺杂剂的离子束注入到硅片中。

首先利用Varian 控制系统（VCS）产生工艺配方，在配方的基础上制定产生离子束的确切标准。工艺配方的设计目的包括：控制掺杂剂种类的选择，控制剂量、控制离子束的能量、注入角度等以及工艺步骤等等。

在阅读本章之前，请阅读第二章安全方面内容。

一、系统单元组成

VIISta HCS 可以分为三个有用的重要的单元：离子源单元、离子束线单元、工作站单元。

1、离子源单元

离子源子单元包括产生，吸出、偏转、控制，和聚焦，离子是有间接加热的阴极产生再由吸极取出（由D1电源与吸级装置构成），在取出工艺过程中，为了得到离子束更好的传输和低的离子束密度，离子束将被垂直聚焦。被取出的离子束通过一个四极的透镜，在进入90度离子束磁分析器之前离子束被聚焦，在磁分析器中，绝大多数不需要的离子将被分离出去。

离子源模块的主要结构，包括离子源围栏内部分和安全系统，支持分布各处的主要动力组件。还有离子源控制模块，源初始泵抽，涡轮分子泵抽，工艺气体柜，离子源和（套）管路。离子源围栏与安全系统要互锁，这是为了防止在正常注入操作过程中有人员接近。如果任何一扇门打开，或者任何维护、伺服面板被移动，高压电源和有害气体流就会通过互锁系统关闭。VIISts HCS 系统使用的不是高压工艺气体，就是需要安全输送系统的工艺气体。VSEA提供的标准工艺气体有三氟硼烷、砷烷和磷烷。

2、离子束线控制单元

离子束线控制子系统包括从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域，在这些区域，离子束将会被减速、聚焦、分析、测量以及被修正为平行、均匀的离子束。从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域中，离子束先被增速，再被减速。离子源与控制离子束线的四极透镜，协同D1、D1抑制极，D2、D2抑制极动力一起，提供水平与垂直聚焦控制。90度磁偏转协同判决光圈一起实现对离子的筛选分析。预设法拉第杯测量离子束强度。最终，离子束在70度偏转磁场中，协同多组磁极和顶部和底部的磁棒，被调整为方向平行，分布均匀的离子束。

离子束离开离子源模块之后进入离子束线模块。离子束首先通过离子源四极透镜（源四极透镜，Q1）调整离子束使其竖直方向聚焦水平方向扩散。90度磁分析器是离子束线控制模块的下一个组件。这个电磁铁提供强大的磁场，促使离子束偏转90度，在偏转过程中，只允许具有适当能量（速度）的我们希望利用的离子（质量）通过。不需要的离子不是偏转的角度大或者偏转的角度小于90度，不能够通过磁偏转分析机构。接下来，经过90磁分析仪的离子束进入离子束线四极磁透镜Q2，Q2可以工作于正直模式（plus）或负值模式(minus)，Q2通常工作于负值模式，此时水平方向聚焦。线束四极磁透镜Q3：提供竖直方向聚焦以抵消离子束进入随后设备时竖直方向发散，利于离子束传输到尾端工作站。从判决光圈出来的离子束是最后筛选出来的离子束。通过离子源的调整，通过吸极操作，以及90度磁偏转的调整，最终使预设法拉第测量的离子束流量与配方设定值一致。到此，预设法拉第杯缩进原来位置（让开离子束通道）。离子束经过离子束操作部分进入70度磁偏转区域。

3、尾端工作站模块

尾端工作站控制子系统由两个部件组成：硅片传输部件和工艺控制部件。硅片传输部件把硅片盒从大气环境传送到高真空环境。而每一个硅片一特定的方位被安置在压盘上等待离子注入。工艺控制部件用来显示离子束分布曲线和离子束流的检测，还用来控制离子注入。

二、原子理论

原子理论讨论电荷的物理机理，涉及到带电粒子的控制，离子的产生，以及离子从离子源到硅片是如何运动的。

1、同位素

同位素是指具有相同的原子序数但是具有不同的原子质量的一些原子。一种元素的所有同位素，包含同样数目的质子但是包含不同数目的中子。同位素具有同样的化学性质，但是他们原子核的特性不同。这些核的特性包括可能的放射性、重量、以及磁性。

硼是离子注入经常用到的元素，有两种天然同位素：Bten和Beleven。Bten有5个质子5个中子。Beleven 在离子注入工艺中更常用，因为它的丰度是Bten的4倍。但是，在有些注入工艺中用Bten，因为，它比较轻，可以在较低电压下注入更深。

2、粒子流的控制

一个电中性原子是相当难以控制的。一个原子失去一个电子后带一个正电荷，它就可以被一个负的静电荷吸引或加速。同样的正离子也可以被一个正的静电荷排斥或减速。磁场可以对离子流的压缩、扩展，以及切换位置和方向等操作。

砷、硼和磷是离子注入工艺中经常用到的元素，这些元素分别来源于砷烷、三氟硼烷和磷烷。

三、Beam Optics 离子束流光学装置

离子注入机首先产生离子，然后通过控制设备对离子流进行操作，最后把离子注入到衬底中的特定深度并达到特定的浓度。离子束操作的光学理论讲述特定的设备组件及其对离子流的控制性能。

1、组件定位

2、离子的产生

电离是将一个中性原子或分子转化成一个离子的过程，在次过程中原子或分子失去一些电子或得到一些电子。本离子注入机利用间接加热阴极的方式产生离子。（IHC）

3、Bernas 和IHC 源理论比较

间接加热阴极离子源（IHC）与常见的bernas离子源很相近。二者都依靠一跟被加热的钨丝发射电子。二者都用到了源磁场和反射极来限制阴极发射的电子的运动。最后，在这两种离子源中，阴极发射的电子和掺杂原子碰撞，使原子电离，这些离子被从离子源吸引出来形成离子流。IHC和bernas 离子源之间的主要区别是前者多附加了一个阴极。这个附加的阴极有两个主要功能，一个是为了保护相对脆弱的灯丝免遭电离腔内恶劣环境的破坏；另一个是用作离子腔内激发离子的电子源。为了更好地理解IHC离子源，我们最后先思考一下bernas 源是如何工作的。

Bernas源是通过电流加热灯丝工作的。灯丝一旦被加热，在一定电压作用下就会发射电子；这个电压叫做弧光电压。这些电子围绕磁力线螺旋前进，不时与通过MFC导入的掺杂原子碰撞。碰撞使原子电离。我们提供调节灯丝电流控制离子源的强弱，增大灯丝电流可以提高灯丝温度，这将增加发射电子的数量。我们把这看做弧光放电电流的增大，以及吸极电流的增大。所以说，当我们需要更大的吸极电

流时，可以通过增大灯丝电流来实现。

IHC离子源也依靠电流加热的灯丝工作。热灯丝的工作也是加上电压时发射电子，但是，这些电子不是用来发射电子而是用来加热阴极的。所以说，这个叫做偏压的电压是加在灯丝与阴极之间的。灯丝发射的电子形成所谓的偏流，这些电子在偏压作用下加速运动，最终撞击到阴极的背面。在这里，这些电子的动能转化成为阴极的热能。当阴极足够热时，在一定电压作用下它也开始发射电子。这个电压就是弧光放电电压。此时阴极用来发射电子，这些电子碰撞掺杂原子并使之电离，产生离子。

这种设置吸极电流的控制机制仍然是温度，在这里就是阴极的温度。阴极增温的方式是增大灯丝电流。所以，我们看到，当操作者需要较大的吸极电流的时候，可以通过增大偏流来实现。较大的偏流意味着灯丝发射更多的电子，从而有更多的能量传递给阴极，并最终导致阴极升温。更热的阴极将发射多的电子到电离腔，此时我们可以观察到较大的放电电流，最终得到更大的吸极电流。

4、有关离子源的进一步理解

建立和维持稳定的弧光放电需要满足下列五个方面的要求：

灯丝电流

弧电压

偏压

工艺气体压力

离子源磁场

灯丝电流

在离子化工艺过程中，阴极是自由电子的主要提供者。灯丝的工作原理就是发射热电子。灯丝发热到一定温度后就开始发光并释放自由电子。灯丝对阴极加热，受热的阴极发射自由电子。有效的自由电子数目与加到灯丝上的电流的大小有关。在离子注入机中，离子源

中离子的撞击和溅射，最终将使阴极和灯丝受到损坏，所以有必要不时更换阴极和灯丝。

在IHC离子源中，阴极与灯丝是隔离的，是被灯丝间接加热的。阴极的材质是钨。在灯丝和阴极之间加了较高的偏压。阴极覆盖住了灯丝，是灯丝免遭离子的轰击。

弧电压

弧电压动力加在灯丝与离子腔壁之间。加了这个动力，可以保证离子腔壁的电位比灯丝的电位高。偏压

离子腔的阴极被覆盖其中的灯丝发射的电子碰撞加热。灯丝和阴极之间加了大概600伏特的偏压，产生电流约4安培。被加速到600电子伏特的电子撞击阴极使之发热，并发射电子。阴极与离子腔壁之间加了 150伏特的偏压，阴极为负，腔壁为正。

工艺气体压力离子化

离子源磁场反射极

为了进一步提供电离效率，我们在离子腔中使用了与阴极电性导通的反射极。起初，阴极和反射极都不带电，当初始电子在它们表面积聚时，很快就带上了负电。这样就产生了一种效应：排斥电子沿着磁力线螺旋运动向离子腔壁。这些电子沿相反方向向阴极运动过去。而阴极也带负电，阴极有促使这些电子掉头沿着磁力线向反射极运动过来。这种来回翻转的运动一直进行到这些电子撞上一个掺杂气体原子或另外一个电子改变它的方向为止。

气体电离后的离子种类

在我们的有关原子理论的讨论中，以硼作为电离的例子。这可能会让你误解，好像在电离过程中仅仅产生了注入用到的离子。实际上，离子腔中的所有原子在电离过程中都会影响电离效果。以三氟硼烷为例，列出电离过程中所产生的主要离子种类，还有更多。