离子注入设备:原理与应用

离子注入技术已被广泛地运用于半导体集成电路制造和金属表面改性等领域，随着集成电路线宽越来越小，制造工艺越来越复杂，对离子注入设备（离子注入机）的要求也越来越高。一般来讲离子注入机应满足有合适的可调能量范围，有合适的束流强度，能应用多种注入离子，有好的注入均匀性以及无污染等性能要求。

通常离子注入机由离子源、质量分析器、加速器、透镜、扫描系统、靶室、真空系统和控制系统几部分组成。离子注入机的结构如图7-24所示。

图7-24　离子注入机的结构

1.离子源

离子源，顾名思义即离子注入其离子的来源。离子源的功能主要有两个，第一是将需要注入的元素电离成为离子；第二是将离子从离子源中引出，形成离子束。离子束的截面形状通常有圆形和长条形，取决于源引出口的形状。

离子源是离子注入机最重要的部件之一，一台离子注入机能够注入什么离子和能够提供多大的束流强度主要取决于离子源的性能。因此对离子源要求就包括：①离子源能够产生多种元素的离子束；②为了提高生产效率，离子源引出的束流强度一般要求在几百微安到毫安数量级；③引出的束流品质要好；④离子源的寿命要长；⑤离子源的效率要高。

离子束束流的品质包括离子束的发散度、离子束亮度和离子束能量分散度。离子束的发散度，用从离子源中引出的离子束在最小截面处所具有的直径和束内离子的最大散角（α）来表示

式中，Prmax是离子的最大径向动量；PZ是离子的轴向动量。引出束的直径和散角越小，说明该束越容易聚焦和传输。在束流光学中，用发射度（ε=A/π，A为束流在相平面内的发射相截面）的概念来度量离子束的发散度。为了便于比较不同源之间的性能，可引入归一化发射度εn来表示，即

式中，β=v/c，γ=（1-β2）-1/2，v为离子的运动速度，c为光速。εn只由离子源的性能决定，如果离子束在光路系统中没有损失，它在离子注入机不同加速空间内是一常数。εn值越小，表示该束的品质越好。

离子束的亮度（B）是表征离子源性能的综合参数，是由离子源的束流强度和发射度决定的。同样用归一化亮度（Bn）表示

式中，I为束流强度。

Bn值与离子的能量无关，在束流传输中如果没有离子损失，Bn值保持一常数。Bn值越大，说明离子源的性能越好。

从离子源引出的每个离子的能量并不完全一样，在各离子间存在的最大能量差ΔE称为离子束的能散度。束流的能量分散会给束流的聚焦和质量分析带来困难，因此ΔE值越小越好。

离子源的种类很多，从离子产生的方法来看主要有三种：电子碰撞型、表面电离型和热离子发射型。电子碰撞型是利用电子与气体或蒸汽的原子碰撞产生等离子体，因此也称为等离子体离子源。现在大多数的离子源都属于这种类型。等离子体离子源的结构如图7-25所示。

图7-25　等离子体离子源结构

2.质量分析器

在进行离子注入时，注入的离子束是一种特定元素的离子，但是从离子源引出的离子束并不是纯净的，往往会包含其他元素的离子。质量分析器的作用就是将所需要的离子从离子束中分离出来而将不需要的离子偏离掉。在离子注入机中通常采用磁分析器来做质量分析器。图7-26给出了磁分析器的结构示意图，其主要构成是一具有某一离子偏转半径的电磁铁。当具有同样能量和不同质量的离子进入磁场中，离子按质量不同将以不同的半径偏转，经过磁分析器后离子束中的离子就会以不同的质量分成不同的束，从而达到分选离子的作用。同时质量分析器又是一个重要的离子光学元件，具有聚焦特性。

当带电粒子进入磁场在磁场中运动，其运动受到洛伦兹力的作用，运动方程可表达为

图7-26　磁分析器结构和工作原理

式中，m是离子的质量，q是电荷量是离子的速度，是磁感应强度。

离子在磁场中运动所受的力永远与离子的速度v相垂直，离子在该力的作用下只能改变离子运动的方向而不能改变其速度的大小，带电离子在均匀磁场中将作匀速圆周运动。设圆周运动的半径为R，以离子能量表示，则可得

BR称为离子的磁刚度，也就是具有单位电荷的离子的动量的量度。因此磁分析器实质上是一个动量分析器。在离子能量相同时，不同质荷比（m/q）的离子的轨道半径不同。质荷比大其半径R也大。离子的分选也是通过这一特性完成的。

磁分析器由直流电磁铁和真空腔组成。直流电磁铁包括磁扼、磁极和励磁线圈三部分。偏转电磁铁按其场强的分布可分为均匀场和非均匀场电磁铁。均匀场是指两磁极间的磁感应强度为均匀分布；非均匀场是指两磁极间的磁感应强度按一定的梯度分布。离子注入机的磁分析器通常是均匀场。

在离子注入机质量分析器中，衡量其性能的主要两个参数是偏转半径和磁感应强度，因为它们决定了磁分析器能够偏转和分选离子的能力。质量分析器的另一个重要性能指标是质量分辨率，即磁分析器能把不同动量的离子分开的能力。质量分辨率常用m/Δm表示。其中m为通过磁分析器后欲选取的离子的质量，Δm为能与上述离子分开的离子所具有的质量与m之间的最小质量差。影响磁分析器质量分辨率的因素包括离子束的能散度、离子能量、偏转半径、入射角、磁分析器入口和出口狭缝宽度，因此提高磁分析器的质量分辨率可以通过改进离子源，使离子初始能量分散减小；采用先加速后分析的办法，提高离子能量；增加偏转半径R以及减小入口和出口的狭缝尺寸等方法实现。

3.加速和聚焦系统

（1）加速系统。加速系统的主要任务是形成电场，离子在电场的作用下受到加速而得到预定的能量。加速系统的排列方式有三类，一种是先分析后加速，即离子先进入磁分析器进行分离然后再加速；第二种是先加速后分析；第三种是前后加速中间分析。(www.xing528.com)

三种类型的排列方式各有优缺点。对于先分析后加速，其优点是分析时离子能量较低，分析器可以做得比较小，造价低，同时不需要的离子在加速前就被分离掉，因而所要的高压功率比较小，产生的X射线相应减少，改变离子能量无需改变分析器电流，便于操作。缺点是离子在低能段飞行距离较长，空间电荷效应较大，离子损失较多。离子经过分析器后通过电荷交换产生其他离子也可以得到加速而注入靶中，会影响注入离子的纯度。对于先加速后分析，其优点是离子束在低能段漂移距离较短，从而减小了空间电荷和电荷交换。同时由于分析器在后面，因电荷交换而产生的其他元素离子得不到加速而无法注入靶中，提高了注入离子的纯度。其主要缺点是离子在进入分析器时能量较高，所需要的分析器也就较大，造价高，同时产生的X射线也大。如果要改变离子的能量必须改变分析器的电流，增加了操作难度。对于前后加速中间分析排列来讲，主要的优点是离子的能量可调范围比较广，当有后加速时可进行高能注入，如果拆去后加速可作为一般的中低能注入使用。另外后加速还可以是可变极性的，既有正高压也可有负高压。当正高压时就成为后减速。其主要缺点是两端都处于高电位，给操作带来不便。图7-27，图7-28给出了后加速和后减速各位置离子束能量变化。

图7-27　后加速各位置离子束能量变化

图7-28　后减速各位置离子束能量变化

离子的加速系统主要有两类，一类是静电场加速的高压加速器类型；另一类是高频电场加速的周期加速类型。离子注入机的加速系统通常为前一种。离子通过离子加速器所获得的能量为

式中，Z为离子电荷数，ΔV为加速器两端电压差。

加速系统除了具有加速离子的作用外还有聚焦离子束的功能，使离子束保持在预定的空间内运动。

（2）聚焦系统。离子束从离子源到靶室一般都要传输一定的距离，离子束中的许多离子除了具有纵向运动速度外还会有横向速度，同性离子间也会相互排斥。离子在传输过程中还会与系统中残余气体分子碰撞而发生散射。为了确保离子能传输到靶室并具有合适的束斑大小和形状，离子在传输过程中需要聚焦。

离子束的聚焦系统一般使用具有一定形状的电极或磁极，利用这些电极或磁极形成恰当的电场或磁场分布，当离子束通过这些电场或磁场时就会受电磁力的作用而会聚，从而获得聚焦。能使离子束获得聚焦的电场或磁场被称为离子光学透镜，其作用规律同一般光学透镜对光的作用类似。四极透镜是一种应用广泛的离子光学透镜，分为静电四极透镜和磁四极透镜。这种透镜的场分布是面对称的，能在不改变离子能量的情况下对离子束产生很强的聚焦作用。

静电四极透镜由四个金属柱面组成，电极表面为双曲面形状，相对的电极的电势相同而相邻电极的电势符号相反（见图7-29）。四极磁透镜对离子束进行聚焦的原理是运动的离子在磁场中受罗伦兹力作用而可实现聚焦的。四极磁透镜由四个双曲柱面形的磁极组成，相邻的磁极的极性相反，改变激磁电流可以调节它的感应强度。图7-30给出了四极磁透镜的结构、磁感应矢量方向和离子在磁透镜内的受力方向。图7-31为离子束经四极三镜聚焦后所得到的离子束截面形状。

图7-29　静电四极透镜结构和电场分布

（a）透镜结构（b）电场分布

4.真空和扫描系统

（1）真空系统。离子从离子源到靶室一般要经过相当长的距离，为了保证离子在输送过程中避免与气体分子碰撞，离子通过的区域必须保持较高的真空度。如果离子输送路径中真空度达不到要求，残余气体分子过多，将导致离子在传输过程中与这些残余气体分子不断地发生碰撞，最终会产生离子发散度变大、束流损失增大、产生中性粒子、离子束纯度降低和X射线辐射剂量增大等有害影响。

图7-30　四极磁透镜结构和离子在镜内受力方向

（a）磁透镜结构和磁感应矢量方向（b）离子在磁透镜中的受力方向

图7-31　四极三镜后离子束截面形状

离子注入设备的真空系统为分段式，即由低真空系统（10-3Torr）和高真空系统（10-7Torr）两级真空系统组成，包括真空泵、真空测量用规管、阀门、密封圈和控制单元。早期的真空泵为油封式机械泵和扩散泵，然而这类泵在工作中会产生油蒸汽回流到真空腔中，从而导致油污染，严重影响晶片的质量和性能。因此现在的真空系统都用干式系统，即用干式机械泵或涡轮分子泵来替代油封式机械泵；用涡轮分子泵或冷凝泵替代油扩散泵，从而避免真空腔室的油污染。

（2）扫描系统。随着单晶硅尺寸的越来越大，大面积均匀注入也越来越重要。离子束截面的束流密度分布的不均匀，离子束能量集中于硅晶片表面的局部区域所引起的晶片表面温度上升，对晶片的性能带来十分不利的影响。因此在注入前必须对离子束进行扫描，使其均匀地扫过晶片表面，以达到均匀注入的目的。离子束的扫描方式有静电扫描、机械扫描和混合扫描等方式。

图7-32　静电扫描示意图

静电偏转扫描是在垂直于离子束方向外加一偏转电场来实现。图7-32给出了静电扫描示意图。在束流两侧安置一对平行板，在板间加上偏转电压Vd，离子沿x方向射入，并与电场方向垂直。离子在进入电场后在y方向受力使其发生偏转，设靶片离偏转板中心距离为L，则离子束在靶片上偏离中心距离D为

如果在x方向同样设置一对偏转板，则离子束在x，y两个电场作用下在靶片表面均匀地扫过一定面积（见图7-33）。

机械式扫描是离子束固定不动而靶片在x和y方向上运动；混合扫描方式为离子束在一个方向上作扫描运动而靶片在另一垂直方向上作往复运动。

式中，l为偏转板长度，V为离子速度v规范化电势表示，d为偏转板间距。

图7-33　x和y方向扫描和二次电子抑制板