瓦利安-离子注入机工作原理01.doc

第三部分 原理瓦利安半导体设备有限公司VIＩSta 　HCS目录章 　节　　 　 　　 　 　 　 　　 　 　 　 　　 　 章节编号原理简介…………………………………………………………………E8２2９121０控制原理………………………………………………－--………………E8229122０离子注入操作原理………………………………………………………Ｅ822912３０ 简介版本版本状况日期承认发布A最初发布1１／０9p．ｓ42923VIISta　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一方面运用Ｖarｉan 控制系统（VCS）产生工艺配方,在配方的基本上制定产生离子束的确切原则工艺配方的设计目的涉及: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环节等等在阅读本章之前,请阅读第二章安全面内容一、系统单元构成　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涉及产生，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播和低的离子束密度，离子束将被垂直聚焦。

被取出的离子束通过一种四极的透镜，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重要构造，涉及离子源围栏内部分和安全系统,支持分布各处的重要动力组件尚有离子源控制模块，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，这是为了避免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提供的原则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涉及从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克制极,D2、D2克制极动力一起,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后,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，被调节为方向平行,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一方面通过离子源四极透镜(源四极透镜，Q1）调节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种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,只容许具有合适能量（速度）的我们但愿运用的离子(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不不小于9０度,不可以通过磁偏转分析机构接下来，通过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），Q2一般工作于负值模式，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，利于离子束传播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节,通过吸极操作,以及９0度磁偏转的调节，最后使预设法拉第测量的离子束流量与配方设定值一致到此，预设法拉第杯缩进本来位置（让开离子束通道）离子束通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构成：硅片传播部件和工艺控制部件硅片传播部件把硅片盒从大气环境传送到高真空环境。

而每一种硅片一特定的方位被安顿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,波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似的原子序数但是具有不同的原子质量的某些原子一种元素的所有同位素，涉及同样数目的质子但是涉及不同数目的中子同位素具有同样的化学性质，但是她们原子核的特性不同这些核的特性涉及也许的放射性、重量、以及磁性硼是离子注入常常用到的元素,有两种天然同位素:Btｅｎ和ＢeleｖeｎBten有5个质子5个中子Beleven 在离子注入工艺中更常用，由于它的丰度是Bｔeｎ的4倍但是,在有些注入工艺中用Btｅn，由于，它比较轻，可以在较低电压下注入更深2、粒子流的控制一种电中性原子是相称难以控制的一种原子失去一种电子后带一种正电荷，它就可以被一种负的静电荷吸引或加速同样的正离子也可以被一种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常常用到的元素，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一方面产生离子，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种中性原子或分子转化成一种离子的过程，在次过程中原子或分子失去某些电子或得到某些电子本离子注入机运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）与常用的ｂernas离子源很相近两者都依托一跟被加热的钨丝发射电子两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 离子源之间的重要区别是前者多附加了一种阴极这个附加的阴极有两个重要功能,一种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;另一种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环绕磁力线螺旋迈进,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，这将增长发射电子的数量。

我们把这看做弧光放电电流的增大,以及吸极电流的增大因此说，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离子源也依托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因此说，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,最后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,产生离子这种设立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因此,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,并最后导致阴极升温更热的阴极将发射多的电子到电离腔,此时我们可以观测到较大的放电电流，最后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规定：灯丝电流弧电压偏压工艺气体压力离子源磁场４.1灯丝电流在离子化工艺过程中,阴极是自由电子的重要提供者。

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，最后将使阴极和灯丝受到损坏,因此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４.２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4.３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4.4　工艺气体压力　离子化4.5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,当时始电子在它们表面积聚时,不久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始终进行到这些电子撞上一种掺杂气体原子或此外一种电子变化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也许会让你误解，仿佛在电离过程中仅仅产生了注入用到的离子事实上,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重要离子种类，尚有更多五、离子的抽取（Eｘtrａction)Eｘtｒａctioｎ　这个概念描述的是如何把带正电的离子从离子腔中抽取出来抽取过程完毕四项工作第一,把离子从离子腔中抽取出来并给它一种方向第二，吸极提供一种势垒制止二次电子返回离子源并撞击产生X射线第三，它把离子整形成为束状第四,它提供了电子源以在离子束形成空间电荷，空间电荷的作用有点像胶水,把正电荷粘合在一起，成为离子束1、把离子从离子源抽出把一种电压源加到离子腔和吸极之间正极在离子腔,负极在吸极,其值约60０0０伏特离子腔上的光圈和吸极上的光圈都通过特殊的机械设计，加上一定的电压后,就可以吧离子从离子腔中拉出来２、离子束的整形3、吸极(Exｔracｔioｎ Ｅlecｔｒode)吸极可以沿着竖直方向上下移动，也可以沿着轴线方向接近或远离离子源。

移动吸极的目的是为了驾驭离子束，移动通过吸极操作部件来实现这个操作一般是在软件控制下自动实现的四、二次电子的克制吸极有两个部件：克制极和接地极克制极最接近离子源,并被安顿在接地极上，但是要保持两者电绝缘等离子腔的电势比接地极高出６0kV,而克制极比接地极低20kV如前述,从等离子腔光圈出来的不仅仅是离子电离过程的效率大概只有２0%，这意味着有大概８0%的气体分子没有电离由于掺杂气体是在一定压力下导入离子腔的,那么就有多余的气体从离子腔的光圈排出来排出的气体分子的大多数立即被真空泵抽走剩余的某些气体分子被裹挟到了克制极与接地极之间的区域或更远这一区域的离子。